Zespół badawczy z TU Kaiserslautern rozwiązuje mechanizmy transportu energii atomowej w świecie kwantowym

Ultrazimna chmura atomowa z atomów rubidu, które są używane w tym eksperymencie: Widać fluorescencję, która powstaje podczas naświetlania laserowego. (Zdjęcie: AG Ott/TUK)

Transport energii pomiędzy atomami i cząsteczkami jest podstawą wszego życia. Opiera się na siłach międzyatomowych, zwanych oddziaływaniem dipol-dipol. Grupa badawcza pod kierownictwem prof. dr. Herwiga Otta na Politechnice w Kaiserslautern (TUK) zdołała odtworzyć taki mechanizm transportu w systemie nieuporządkowanym. W tym celu naukowcy zaobserwowali eksperymentalnie kwantowo-mechaniczne oddziaływanie między różnymi atomami Rydberga. Dzięki temu mogli prześledzić wpływ nieuporządkowania na rozkład i mobilność energii pobudzenia między atomami. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.

Jak przebiega transport energii między atomami i cząsteczkami, ilustruje na przykład fotosynteza: gdy światło trafia do komórki, najpierw pochłania je jedna cząsteczka, a następnie energia ta jest dalej transportowana pomiędzy wieloma innymi, nieuporządkowanymi cząsteczkami. Gdy to „pakiet energii” dotrze do tzw. centrum reakcyjnego, następuje trwałe magazynowanie w formie przemiany chemicznej.

Aby lepiej zrozumieć takie mechanizmy transportu, zespół badawczy wybrał specjalne podejście eksperymentalne i wkroczył w rejon kwantowy: „Przezwyciężyliśmy kilka wyzwań technologicznych”, wyjaśnia Carsten Lippe, główny autor badania. „Już sam wygląd warunków koniecznych do tego pokazuje, jak wiele trzeba spełnić: przy ciśnieniu otoczenia, które jest około 1000 razy mniejsze niż w przestrzeni wokół ISS, i temperaturach bliskich zeru absolutnemu, niektóre atomy są pobudzane za pomocą promieniowania laserowego i przechodzą w tzw. stan Rydberga. W tym stanie, gdy elektron zostaje przeniesiony na daleką orbitę wokół jądra atomowego, atom jest około 10 000 razy większy niż w stanie normalnym.”

Ze względu na tę ogromną wielkość atom w stanie Rydberga jest bardzo wrażliwy na inne takie atomy i umożliwia eksperymentalne badanie oddziaływań między atomami, które w innym przypadku zachodziłyby na znacznie mniejszych skalach odległości.

W ramach swojego eksperymentu naukowcy użyli różnych systemów laserowych do kolejnego wytwarzania dwóch różnych rodzajów atomów Rydberga i zbadali transport energii między nimi. Natrafili przy tym na efekty kwantowe, które przeczą naszym codziennym wyobrażeniom. „Klasycznie można wyobrazić sobie taki proces transportu jako skokowy. Energia lub pobudzenie przeskakuje więc między cząsteczkami. W fizyce kwantowej jest to jednak inaczej: dzięki zjawisku superpozycji pobudzenie może na przykład jednocześnie skakać na kilka cząsteczek i w ten sposób być znacznie bardziej efektywnie transportowane w systemie. Mówimy wtedy o koherentnym transporcie”, wyjaśnia Ott.

Naukowcy byli w stanie wykazać, że udział skokowego i koherentnego transportu można kontrolować w eksperymencie. Odbywa się to poprzez drobne zmiany długości fali używanego lasera pobudzającego. „Zazwyczaj efekty kwantowe są delikatne i znikają, gdy pojawiają się zakłócenia, takie jak te w tym systemie spowodowane nieuporządkowaniem atomowym gazu”, mówi Thomas Niederprüm, który wraz z Ottem kierował pracami. „Obserwacja tych efektów w badaniu może pomóc lepiej zrozumieć inne złożone systemy. Oddziaływania między atomami Rydberga można przenieść na inne dziedziny współczesnych badań, na przykład na absorpcję i transport światła w cząsteczkach podczas fotosyntezy. Najnowsze badania wykazały, że także w fotosyntezie efekty kwantowe odgrywają ważną rolę, a transport energii mimo nieuporządkowania przebiega zaskakująco bez strat.”

Prace nad tym badaniem przeprowadzono w ramach specjalnego obszaru badawczego OSCAR („Open System Control of Atomic and Photonic Matter”), w którym TUK wspólnie z Uniwersytetem w Bonn jest wspierany przez niemiecką fundację badawczą. Wyniki pomiarów i symulacji oraz opis eksperymentalnej aparatury opublikowano w renomowanym czasopiśmie „Nature Communications”:

„Eksperymentalna realizacja modelu losowego skoku 3D”; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. Artykuł w języku angielskim jest dostępny bezpłatnie.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Odpowiada na pytania:
Prof. dr. Herwig Ott
Zakład ultrazimnych gazów kwantowych i optyki kwantowej / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de