Гигантский атом съедает квантовый газ
На картинке приведена иллюстрация исследуемой системы. Сильно возбужденный Ридберговский атом, состоящий из единственного электрона (отмечен синим цветом), путешествует на больших орбитах далеко от положительно заряженного ядра (отмечено красным цветом). Ридберговский атом имеет ту же пространственную протяженность, что и ультрахолодное атомное облако. Единственный электрон возбуждает колебания, также называемые фононами, в окружении квантового газа.
Команда физиков-экспериментаторов и теоретиков из университета Штутгарта изучила атом микронных размеров. Этот атом содержал десять тысяч обычных атомов на своей электронной орбитали. Эти данные были опубликованы в журнале Nature.
Взаимодействие электронов и материи является фундаментальным для свойств материи, таких как электрическая проводимость. Электроны рассеиваются на атомах и на возбужденных колебаниях решетки (также называемых фононами), передавая при этом энергию в окружающую среду. При этом электрон замедляется, что вызывает электрическое сопротивление. Однако, в некоторых материалах фононы неожиданно могут приводить к противоположному эффекту, также называемому сверхпроводимостью, когда электрическое сопротивление падает до нуля. Понимание взаимодействия электронов и материи поэтому является важной целью для ответа на фундаментальные вопросы и для решения технических проблем.
Один электрон лучше всего подходит для исследования таких процессов. Впервые физики из Штутгарта реализовали модельную систему в лаборатории, где может быть изучено взаимодействие единственного электрона со многими атомами внутри его орбитали. Эти атомы появляются из ультрахолодных облаков вблизи абсолютного нуля, также называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Теперь основная идея проста: вместо использования технически сложных электронных ловушек, ученые используют тот факт, что в природе электроны связаны с положительно заряженными атомными ядрами. В классической картине, они следуют по эллипсоидальным орбитам вокруг ядра. Эти орбиты, как правило, очень малы, обычно в размерах менее одного нанометра. Для того чтобы достичь взаимодействия между электроном и множеством атомов, атом возбуждается из облака, состоящего из 100000 атомов с помощью лазерного света. Орбита единственного электрона затем увеличивалась до нескольких микрометров и формировался Ридберговский атом. На атомных масштабах длины, этот атом огромен, больше, чем большинство бактерий, которые состоят каждая от нескольких миллиардов до триллионов атомов. Ридберговский атом содержал десятки тысяч атомов из холодного облака. Таким образом, ситуация реализуется, когда электрон удерживается в определенном объеме и в то же время взаимодействует с большим числом атомов. Это взаимодействие настолько сильно, что все атомное облако, состоящее из 100000 атомов, значительно зависит от одного электрона. В зависимости от своего квантового состояния электрон возбуждает фононы в атомном облаке, которое может быть измерено как коллективные колебания целого облака, что приводит к потере атомов из ловушки.
Экспериментальные наблюдения в группе профессора Тильмана Пфау могут до сих пор в значительной степени объясняться совместной работой с теоретической группой профессора Ханса Петера Бюлера. Однако, эта работа является только основой для серии дальнейших захватывающих экспериментов. По данным предыдущих исследований электрон имеет четкий след в окружающем атомном облаке. Поэтому изображение одного электрона во вполне определенном квантовом состоянии, кажется, возможным. В связи с влиянием на различные области науки, включая квантовую оптику, эти результаты были опубликованы в уважаемом журнале Nature.
Источник:
http://phys.org/news/2013-10-giant-atom-quantum-gas.html
Автор перевода: Шамров Евгений