Nowe badanie: Fizyk identyfikuje stany energetyczne pojedynczych atomów po zderzeniu

Profesor Herwig Ott (po lewej) i Philipp Geppert prowadzą badania na TU Kaiserslautern nad ultrazimnymi gazami kwantowymi i optyką kwantową atomów. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Profesor Herwig Ott (po lewej) i Philipp Geppert specjalnie opracowali specjalny mikroskop, za pomocą którego bezpośrednio mierzyli impulsy atomów. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Fizykami z Technische Universität Kaiserslautern pod kierunkiem profesora Dr. Herwiga Otta udało się po raz pierwszy zaobserwować zderzenia między wysoko wzbudzonymi atomami, tak zwanymi atomami Rydberga, a atomami w stanie podstawowym. Co jest wyjątkowe: potrafią one dokładnie zidentyfikować stany energetyczne poszczególnych atomów. Dotychczas było to niemożliwe. W tym celu naukowcy opracowali specjalny mikroskop, którym bezpośrednio mierzyli impulsy atomów. Obserwowane procesy są istotne dla zrozumienia plazmy międzygwiezdnej oraz ultrazimnych plazm w laboratorium. Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.

W swoim eksperymencie fizycy użyli chmury atomów rubidu, które zostały schłodzone do około 100 mikrokelwinów – czyli 0,0001 stopnia powyżej zera bezwzględnego – w ultrawysokim próżniowym środowisku. Niektóre z tych atomów następnie za pomocą laserów wzbudzili do tak zwanego stanu Rydberga. „W tym przypadku najbardziej zewnętrzny elektron zostaje przesunięty na odległe orbity wokół jądra atomu”, wyjaśnia profesor Herwig Ott, który na TU Kaiserslautern bada ultrazimne kwantowe gazy i kwantową optykę atomową. „Promień orbity elektronu może przekraczać jeden mikrometr, a chmura elektronowa staje się większa niż małe bakterie.” Takie wysoko wzbudzone atomy powstają także w przestrzeni międzygwiezdnej i są chemicznie niezwykle reaktywne.

Gdy atom Rydberga i atom w stanie podstawowym spotykają się, dochodzi do tak zwanego nieelastycznego zderzenia. „W tym przypadku atom w stanie podstawowym głęboko wnika w orbitę elektronu Rydberga”, kontynuuje. Następująca dynamika molekularna tych dwóch atomów jest bardzo złożona i prowadzi do ich rozdzielenia, przy czym orbita elektronu ulega zmianie.

„Podczas tej zmiany stanu może zmienić się zarówno główna liczba kwantowa, jak i liczba kwantowa momentu pędu elektronu”, mówi Philipp Geppert, główny autor badania. Wyjaśnia dalej: „Z rozkładu tych końcowych stanów możemy teraz wyciągać nowe wnioski na temat procesów zderzeń atomowych, w których istotne są zarówno duże, jak i małe odległości jądrowe.”

Elektron Rydberga powraca w końcowym stanie na orbitę bliższą jądru atomu. W tym procesie uwalniana jest energia. Przenosi się ona w formie energii kinetycznej na oba zaangażowane atomy, które od siebie oddalają się w przeciwnych kierunkach ze względu na zachowanie impulsu.

Ruch ten można teraz obserwować za pomocą impulsomikroskopu, który naukowcy opracowali specjalnie do tego eksperymentu. Podstawowa zasada jest dość prosta: obojętne atomy są jonizowane za pomocą impulsu laserowego i kierowane za pomocą słabego pola elektrycznego na detektor wrażliwy na pozycję. Punkt uderzenia zależy od początkowej prędkości atomów i w ten sposób od ich impulsu. Mikroskop ten potrafi rozwiązać najdrobniejsze różnice prędkości, co umożliwia dokładne identyfikowanie końcowych stanów poszczególnych atomów.

Odkrycia te pomagają zrozumieć podstawowe procesy atomowe w plazmie. Mowa tu o mieszaninie różnych cząstek, takich jak elektrony, jony, atomy i cząsteczki. W badaniach plazma odgrywa ważną rolę, na przykład w celu dokładniejszego badania wzajemnych oddziaływań między cząstkami. Ponieważ plazma występuje również we wszechświecie, wyniki z laboratorium mogą mieć znaczenie dla astrofizyki, pomagając lepiej zrozumieć, jakie procesy chemiczne i fizyczne zachodzą w przestrzeni międzygwiezdnej.

Prace nad tym badaniem zostały przeprowadzone w ramach programu specjalistycznego „Giant Interactions in Rydberg Systems”, finansowanego przez Niemiecką Wspólnotę Badawczą. Zostały one zrealizowane w obszarze OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften), który od 2008 roku jest częścią inicjatywy badawczej landu.

Wyniki pomiarów oraz opis eksperymentalnej konstrukcji ukazały się w renomowanym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”: „Rozkład dyfuzyjny w zderzeniach zmieniających stan atomów Rydberga i atomów w stanie podstawowym”; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner & Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Odpowiedzi na pytania:

Prof. Dr. Herwig Ott
Fachgebiet Ultrakalte Quantengasen und Quantenatomoptik / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-Mail: ott@physik.uni-kl.de