Egyes atomok összeütközése kétszeres változást eredményez a forgási impulzusban

Professor Widera (jobbra) és Felix Schmidt kvantumrendszereket kutat. (Fotó: Koziel/TUK)

Az új technológia lehetővé teszi, hogy egyes atomokat rögzítsünk, célzottan mozgatunk vagy állapotukat megváltoztatjuk. Kaiserslautern-i fizikusok is ezzel foglalkoznak. Egy aktuális tanulmányban vizsgálták két atom ütközésének következményeit gyenge mágneses térben, alacsony hőmérsékleten. Először figyelték meg, hogy azok az atomok, amelyek saját forgási impulzusukat bizonyos csomagokban (kvantumokban) hordozzák, két csomagot cserélnek egymással. Az is kiderült, hogy az atomok közötti kölcsönhatás erősségét irányítani lehet. Érdekes ez például kémiai reakciók vizsgálatára. A munka a Physical Review Letters szaklapban jelent meg.

Csak néhány évtizeddel ezelőtt volt elképzelhetetlen a fizikai világ számára, hogy egyes atomos részecskékkel kísérleteket végezzenek. Erwin Schrödinger, a modern kvantumelmélet egyik atyja, „irritáló következményeket” jósolt ebből az ötletből, és hasonlóan valószínűtlennek tartotta, mint egy Ichtyosaurus-dinoszaurusz állatkertben való nagyítását. Azonban a lézertechnika és az atomfizika fejlődése ma lehetővé teszi, hogy egyes atomokkal kísérleteket végezzenek.

Szintén a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen (TUK) foglalkoznak fizikusok, Prof. Artur Widera és doktorandusza, Felix Schmidt az egyedi kvantumrendszerek tanterületén. Ők egy úgynevezett Bose–Einstein-kondenzátumot használnak, amely rubidium-atomokból áll. „Ez a fizikai állapot egy anyagállapotra utal, amely összehasonlítható folyékony és gáz halmazállapotokkal. Ugyanakkor ez a kondenzátum egy tökéletes kvantummechanikai állapot, amely hullámként viselkedik” – mondja Professor Widera. A kondenzátum egy nagyon kevés atomból álló gázhoz hasonlítható.

Egy aktuális tanulmányban együtt vizsgálták Professor Eberhard Tiemann-nal a Gottfried Wilhelm Leibniz Egyetem Hannoverből, hogy milyen hatások lépnek fel, amikor egyetlen césium-atom találkozik egy rubidium-atommal. A részecskék megfigyeléséhez először hőmérsékletüket a abszolút nulla fok felett kell lehűteni. „Ezután optikai csipkével hoztuk őket kapcsolatba” – mondja Felix Schmidt. Ilyenkor lézerfény segítségével tartják fogva az atomokat. A kutatók most egyetlen césium-atomot adtak a rubidium-gázhoz, hogy mérjék, mi történik az ütközés előtt és után.

A fizikusok megfigyelték, hogyan változik a részecskék forgási impulzusa az ütközés során, az egyes césium-atom állapotának mérésével az ütközés előtt és után. A forgási impulzus az atomoknál bizonyos csomagokban, ún. elemi kvantumokban van jelen. A kutatók most megfigyelték, hogy egyetlen ütközés során az atomok egyszerre két ilyen forgási kvantumot cserélhetnek. Korábban csak egy csomag (kvantum) cseréjét figyelték meg. „Ez csak azért lehetséges, mert a kísérletet alacsony mágneses térben végeztük” – mondja Schmidt. Így az atomok energiája olyan alacsony, hogy főként a két részegység közötti kölcsönhatás határozza meg az ütközés eredményét. „Ez lehetővé teszi, hogy egyszerre két ún. elemi kvantum átadása történjen, vagyis a forgási impulzus kétszeres változása” – folytatja a fizikus.

Emellett a tudósok egy másik hatást is megfigyeltek. „A gyenge mágneses tér és az alacsony mozgási energia miatt az atomok akár ezerszer nagyobb távolságban is kölcsönhatásban állhatnak egymással, mint az atomok saját mérete” – folytatja Schmidt. Ha a mágneses tér erősségét szándékosan változtatjuk, ezt a hatást is lehet irányítani. A hatás szoros összefüggésben áll egy nagyon nagy és gyengén kötött molekulaállapottal a két részecske között. „Így közvetve megfigyelhettünk egy körülbelül két mikrométeres méretű hatalmas molekulát” – mondja Schmidt.

Ezek az ismeretek a részecskék közötti kölcsönhatásról nagyon alacsony energiák mellett például segítenek molekulák kötődéseinek vizsgálatában. Ezek legalább két atomból állnak, amelyek kölcsönhatásban vannak egymással. Ez lehetővé tenné például nagyon nagy molekulák előállítását és kutatását.

A tanulmány a rangos Physical Review Letters szaklapban jelent meg: „Tailored single-atom collisions at ultra-low energies.”
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Kérdések megválaszolása:

Prof. Dr. Artur Widera
Egyedi kvantumrendszerek tanszék
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Telefon: 0631 205-4130

Felix Schmidt
E-mail: schmidtf(at)physik.uni-kl.de
Telefon: 0631 205-5272

A Kaiserslautern-i Műszaki Egyetem

A Kaiserslautern-i Műszaki Egyetem Rheinland-Pfalz egyetlen műszaki-informatikai egyeteme. Jövőorientált képzések, gyakorlati szemléletű oktatás és modern infrastruktúra biztosítja a hallgatók számára a lehetőségeket a campuson. A TU Kaiserslautern az „Kiváló oktatás” országos versenyen az oktatás és tanulás terén az Excellencia-díjat nyerte el. Ezzel bizonyítva, hogy magas színvonalú képzései kiemelt helyet foglalnak el. Emellett a hallgatók és a tudósok számos nemzetközileg elismert kutatóintézettel működnek együtt az alkalmazott kutatás területén.