Zderzenie pojedynczych atomów prowadzi do podwójnej zmiany momentu pędu

Profesor Widera (z prawej) i Felix Schmidt badają systemy kwantowe. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Dzięki nowoczesnej technologii możliwe jest uchwycenie pojedynczych atomów, celowe ich przemieszczanie lub zmiana ich stanu. Również fizycy z Kaiserslautern pracują z tymi technologiami. W najnowszym badaniu zbadali skutki zderzenia dwóch atomów w słabym polu magnetycznym przy niskiej temperaturze. Po raz pierwszy zaobserwowali, że atomy, które noszą swój moment pędu w postaci pojedynczych pakietów (kwantów), wymieniają się podczas zderzenia dwoma takimi pakietami. Również wykazano, że siła oddziaływania między atomami można regulować. Jest to interesujące, na przykład do badania reakcji chemicznych. Praca ukazała się w czasopiśmie naukowym Physical Review Letters.

Jeszcze kilka dekad temu świat fizyki nie mógł wyobrazić sobie przeprowadzania eksperymentów z pojedynczymi cząstkami atomowymi. Erwin Schrödinger, jeden z ojców nowoczesnej teorii kwantowej, oczekiwał od tego pomysłu „żałosnych konsekwencji” i określał go jako równie prawdopodobny, co wyciągnięcie iktyozaura z zoo. Jednak dzięki postępom w technice laserowej i fizyce atomowej dzisiaj możliwe jest przeprowadzanie eksperymentów z pojedynczymi atomami.

Także na Politechnice w Kaiserslautern (TUK) fizycy pod kierunkiem profesora Artura Widery i jego doktoranta Feliksa Schmidta zajmują się tym zagadnieniem w ramach działu „Indywidualne systemy kwantowe”. Opierają się na tak zwanym kondensacie Bosego-Einsteina, który składa się z atomów rubidu. „W fizyce oznacza to stan materii, który jest porównywalny do stanów ciekłych i gazowych. Jednak taki kondensat jest perfekcyjnym stanem kwantowym, który zachowuje się jak fala” – mówi profesor Widera. Kondensat ten można porównać do gazu składającego się z bardzo niewielkiej liczby atomów.

W najnowszym badaniu, wspólnie z profesorem Eberhardem Tiemannem z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze, zbadali, jakie efekty występują, gdy pojedynczy atom cezowy zetknie się z atomem rubidu. Aby obserwować cząstki, naukowcy muszą je najpierw schłodzić do temperatur tuż powyżej zera bezwzględnego. „Następnie za pomocą optycznej pincety zbliżyliśmy atomy do siebie” – mówi Feliks Schmidt. W tym celu atomy są utrzymywane w miejscu za pomocą laserów. Naukowcy dodali teraz pojedynczy atom cezowy do gazu rubidowego, aby zmierzyć, co dzieje się przed i po zderzeniu atomów.

Fizycy zaobserwowali, jak podczas zderzenia zmienia się moment pędu cząstek, mierząc stan pojedynczego atomu cezowego przed i po zderzeniu. Moment pędu atomów jest w pewnym sensie podzielony na pojedyncze pakiety – tak zwane kwanty elementarne. Naukowcy zaobserwowali, że podczas pojedynczego zderzenia atomy mogą wymienić jednocześnie dwa takie kwanty pędu. Dotychczas zaobserwowano jedynie wymianę pojedynczego pakietu (kwantu). „To jest możliwe tylko dlatego, że przeprowadziliśmy eksperyment w niskim polu magnetycznym” – mówi Schmidt. W ten sposób energia atomów jest tak niska, że głównym czynnikiem decydującym o wyniku zderzenia jest oddziaływanie między poszczególnymi składnikami. „Dzięki temu możliwy jest jednoczesny transfer dwóch tak zwanych kwantów elementarnych, czyli podwójna zmiana momentu pędu” – dodaje fizyk.

Ponadto naukowcy zaobserwowali kolejny efekt. „Słabe pole magnetyczne i niska energia ruchu powodują, że atomy oddziałują ze sobą nawet na odległość tysiąca razy większą niż same atomy” – kontynuuje Schmidt. Jeśli celowo zmieni się siłę pola magnetycznego, można by także kontrolować to zjawisko. Efekt ten jest bezpośrednio powiązany z bardzo dużym i słabo związanym stanem molekularnym między dwoma cząstkami. „Pośrednio mogliśmy zaobserwować ogromny molekuł o rozmiarze około dwóch mikrometrów” – mówi Schmidt.

Ta wiedza na temat oddziaływań między cząstkami przy bardzo niskich energiach może na przykład pomóc w badaniu wiązań w molekułach. Molekuły te składają się przynajmniej z dwóch atomów, które są ze sobą powiązane oddziaływaniami. Dzięki temu można by między innymi przygotować i badać bardzo duże molekuły.

Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym Physical Review Letters: „Dopasowane zderzenia pojedynczych atomów przy ultra-niskich energiach”.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Odpowiedz na pytania:

Prof. Dr. Artur Widera
Dział Indywidualnych Systemów Kwantowych
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130

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

Politechnika Kaiserslautern

Politechnika Kaiserslautern jest jedyną techniczno-inżynierską uczelnią w Nadrenii-Palatynacie. Przyszłościowe kierunki studiów, praktyczne kształcenie oraz nowoczesna infrastruktura tworzą warunki, które studenci znajdą na kampusie. Politechnika Kaiserslautern została wyróżniona w ogólnokrajowym konkursie „Doskonała nauczanie” Nagrodą Ekscelencji za studia i naukę. Tym samym potwierdza wysoką rangę swoich ofert edukacyjnych. Ponadto studenci i naukowcy korzystają z licznych renomowanych instytucji badawczych, które ściśle współpracują z Politechniką Kaiserslautern w dziedzinie badań stosowanych.