Kaiserslauterer fizikusok megváltoztatják az atomközi kölcsönhatást ultrahideg anyagban

A kép egy ultranagy hideg felhőt mutat rubídium-atomokból (piros) a TUK-nál végzett kísérletben. (Fotó: TUK/AG Ott)

Az Kaiserslautern Műszaki Egyetem (TUK) fizikusai, Prof. Dr. Herwig Ott vezetésével, elsőként sikerült megváltoztatniuk két atom közötti kölcsönhatást ultraködös anyagban a úgynevezett Rydberg-molekulák segítségével. Ezek az éppen nemrég felfedezett nagy molekulák mindössze két atomból állnak, amelyek kötési mechanizmusa nem írható le a szokásos kémiai modellekkel. Különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, például nagy kötési hosszúsággal. A tanulmányt most a rangos „Nature Communications” szakfolyóiratban publikálták.

A kölcsönhatások a világunk alapvető építőkövei. Nemcsak a társadalmi életben, hanem az anyagban is, amely körülvesz minket. Már a 20. század elején Ernest Rutherford fizikus megállapította, hogy még az arany is több mint 99 százalékban a semmiből áll. Csak az egyes részecskék közötti kölcsönhatás teszi anyaggá azt, ami. Ez biztosítja, hogy a világunk belül összetartson.

Ez nemcsak a mindennapi világunkra igaz, hanem a kvantumfizika világára is. A kvantumjelenségek kutatásához a fizikusok gyakran ultraködös atomgázokat használnak. „Itt a hőmérséklet közelít a abszolút nulla fokhoz, körülbelül -273 Celsius-fokhoz” – mondja Prof. Dr. Herwig Ott, aki a TUK-on ultraködös kvantumgázokat és kvantumatom-optikát kutat. „Az atomgázok viselkedését az atomok közötti kölcsönhatás határozza meg.” A szakértők ebben az összefüggésben kvantummechanikai szórási folyamatnak is nevezik. „Az ilyen gázok a kvantummechanikai hatások kutatásában nagy jelentőséggel bírnak, mert ezeket a kölcsönhatásokat a laborban meg lehet változtatni” – folytatja a professzor.

A mindennapi anyag esetében ez általában nem így van. „Egy pohár víz vízmolekulái például mindig ugyanazt a kölcsönhatást mutatják, és a kérdés, hogy milyen lenne a víz tulajdonsága, ha a vízmolekulák kétszer olyan erősen vonzanák egymást, kísérletileg nem megválaszolható” – mondja a fizikus.

A Prof. Ott vezette kutatóknak most először sikerült megváltoztatniuk az ultraködös atomok közötti kölcsönhatást a nevezett Rydberg-molekulák segítségével. A kísérlet ötlete: két összeütköző atomot rövid ideig lézerfény segítségével olyan állapotba hoznak, amely egy molekula megfelel. „Ezáltal hosszabb ideig tartózkodnak egymás mellett” – magyarázza a professzor. „Ez megváltoztatja a kvantummechanikai szórási folyamatot a két atom között, és így a kölcsönhatást is.”

A kísérletben a Kaiserslautern-i kutatók ezt most megfigyelték: két rubídium-atomból „építettek” egy Rydberg-molekulát. Ez a molekulaforma csak néhány évvel ezelőtt került felfedezésre. Olyan molekulákról van szó, amelyek akár vírusméretűek is lehetnek, de csak két atomból állnak. Általában a két atomból álló molekulák jóval kisebbek. A korábban ismert kötésekkel ellentétben, ahol például két atom egy elektront oszt meg, itt egy másik mechanizmus működik: egy elektron nagyon gyenge kötést mutat a maghoz, és egy külső elektronpályán helyezkedik el, amit Rydberg-állapotnak neveznek. A második atom kvantummechanikai kölcsönhatást gyakorol az elektronra, és gyenge kötés alakul ki a két atom között.

„Ezek a molekulák különleges tulajdonságokkal rendelkeznek” – mondja a professzor, „például rendkívül nagy kötési hosszúságuk van, néhány száz nanométer, valamint nagyon nagy elektromos dipólmomentummal bírnak.” A tudomány ezt azzal értelmezi, hogy a molekulák térben elkülönült pozitív és negatív töltéssel rendelkezhetnek.

A Kaiserslautern-i kutatók eredményei lehetővé teszik egyrészt, hogy szinte bármilyen ultraködös gázban megváltoztassák a kölcsönhatást. Másrészt új alkalmazási lehetőségeket is nyitnak, például a több részecske közötti közvetlen kontrollt. „De a hosszabb hatótávolságú kölcsönhatásokat is így lehet majd indukálni a jövőben” – említi a fizikus példaként. „Ezzel új anyagállapotok hozhatók létre ultraködös gázokban a jövőben.”

A tanulmány a rangos „Nature Communications” szakfolyóiratban jelent meg: „Experimental realization of a Rydberg optical Feshbach resonance in a quantum many-body system”; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

A munkát az Optika és Anyagtudományi Kutatóközpont (OPTIMAS), a „Materials science IN MainZ” (MAINZ) posztgraduális iskola, valamint a „Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions” és az „OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter” különleges kutatási területei finanszírozták.