Fizycy z Kaiserslautern zmieniają oddziaływania atomowe w ultrazimnej materii

Ilustracja przedstawia ultrazimą chmurę atomów rubidu (czerwona) w eksperymencie na TUK. (Zdjęcie: TUK/AG Ott)

Fizycy z Politechniki Kaiserslautern (TUK) pod kierunkiem profesora dr. Herwiga Otta po raz pierwszy zdołali zmienić oddziaływanie pomiędzy dwoma atomami w ultrazimnej materii za pomocą tak zwanych molekuł Rydberga. Te niedawno odkryte duże molekuły składają się tylko z dwóch atomów, których mechanizm wiązania nie może być opisany za pomocą powszechnych modeli chemicznych. Posiadają one niezwykłe właściwości, takie jak na przykład duży długość wiązania. Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.

Oddziaływania są fundamentalnym budowniczym naszego świata. Nie tylko w życiu społecznym, ale także w materii, która nas otacza. Już na początku XX wieku fizyk Ernest Rutherford stwierdził, że nawet złoto składa się w ponad 99 procentach z niczego. To właśnie oddziaływanie pojedynczych cząstek czyni materię tym, czym jest. To ono zapewnia, że nasz świat trzyma się w najgłębszych warstwach.

Dotyczy to nie tylko naszego codziennego świata, ale także świata fizyki kwantowej. Aby badać zjawiska kwantowe, fizycy często korzystają z ultrazimnych gazów atomowych. „W tym przypadku panują temperatury wokół zera absolutnego, około -273 stopni Celsjusza”, mówi profesor dr. Herwig Ott, który na TUK bada ultrazimne gazy kwantowe i optykę atomową kwantową. „Zachowanie gazów atomowych jest determinowane przez oddziaływanie między atomami.” Eksperci mówią w tym kontekście także o kwantowym procesie rozpraszania. „Dla nauki takie gazy mają duże znaczenie w badaniach efektów kwantowych, ponieważ te oddziaływania można zmieniać w laboratorium”, kontynuuje profesor.

W przypadku materii, która nas otacza na co dzień, zazwyczaj tak nie jest. „Cząsteczki wody w szklance wody na przykład mają zawsze takie samo oddziaływanie, a pytanie, jakie byłyby właściwości wody, gdyby cząsteczki wody przyciągały się dwa razy mocniej, nie może być eksperymentalnie odpowiedziane”, wyjaśnia fizyk.

Naukowcom pod kierunkiem profesora Ott udało się po raz pierwszy zmienić oddziaływanie między ultrazimnymi atomami za pomocą tak zwanych molekuł Rydberga. Pomysł na eksperyment: dwa atomy, które się zderzają, są na krótko przenoszone za pomocą wiązki laserowej w stan odpowiadający molekule. „Dzięki temu spędzają razem więcej czasu”, wyjaśnia profesor. „To zmienia kwantowy proces rozpraszania między dwoma atomami, a tym samym także oddziaływanie między nimi.”

W eksperymencie badacze z Kaiserslautern mogli to teraz zaobserwować: zbudowali z dwóch atomów rubidu molekułę Rydberga. Ten rodzaj molekuł został odkryty dopiero kilka lat temu. Są to molekuły, które mogą mieć rozmiar jak wirusy, ale składają się tylko z dwóch atomów. Zazwyczaj molekuły składające się z dwóch atomów są znacznie mniejsze. W przeciwieństwie do dotychczas znanych wiązań, w których na przykład dwa atomy dzielą się jednym elektronem, działa tutaj inny mechanizm: elektron wykazuje bardzo słabe wiązanie z jądrem atomu i znajduje się na zewnętrznej orbicie elektronowej, będąc w stanie zwanym stanem Rydberga. Drugie atom doświadcza teraz kwantowego oddziaływania z elektronem i powstaje słabe wiązanie między dwoma atomami.

„Te molekuły charakteryzują się szeregiem niezwykłych właściwości”, mówi profesor, „takich jak ich ekstremalnie duża długość wiązania sięgająca kilku setek nanometrów oraz ich bardzo duże momenty dipolowe elektryczne.” Pod tym nauka rozumie fakt, że molekuły mogą posiadać rozdzielone przestrzennie dodatnie i ujemne ładunki.

Wyniki naukowców z Kaiserslautern umożliwiają z jednej strony zmianę oddziaływania w niemal każdym ultrazimnym gazie. Z drugiej strony otwierają też nowe możliwości zastosowań, takie jak bezpośrednia kontrola oddziaływań wielocząsteczkowych. „Ale także oddziaływania o dłuższym zasięgu niż dotychczas można w przyszłości indukować”, wymienia fizyk jako kolejny przykład. „Dzięki temu w przyszłości można by zrealizować nowe stany materii w ultrazimnych gazach.”

Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”: „Eksperymentalna realizacja rezonansu optycznego Rydberga w układzie wielociałowym”; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

Pracę sfinansowały Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften, krótko OPTIMAS, szkoła doktorską „Materials science IN MainZ” (MAINZ) oraz dwa specjalne obszary badawcze „Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions” i „OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter”.