Внутрь атома поместили другой атом
Ученым удалось получить новую форму материи, в которой между электронной оболочкой и ядром атома располагаются другие атомы. В такой необычной ситуации обнаруживается связь между заряженным электроном и нейтральными атомами. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters, передает «Индикатор».
Из школьной физики известно, что электронные орбитали находятся на существенном расстоянии от ядра атома. Обычно пространство между ними пусто, но можно ли туда поместить другие частицы? В новой работе физики экспериментально подтвердили, что такое связанное состояние можно реализовать. Состояние они назвали ридберговским поляроном.
Чтобы достичь этого состояния, необходимо скомбинировать два явления атомной физики: ридберговские атомы и конденсат Бозе — Эйнштейна. Ридберговские атомы — это водородоподобные системы, в которых один электрон переведен в высоковозбужденное состояние, вращается на еще большем расстоянии, чем обычно, и притягивается к суммарному заряду ядра и оставшихся электронов, то есть к одному протону в первом приближении. Конденсат Бозе — Эйнштейна — это особая форма материи, которая достигается при сверхнизких температурах, при которой частицы, например, атомы или молекулы, могут коллективно находиться в одном квантовом состоянии. В частности, таким конденсатом является сверхтекучий гелий.
В новой работе создавался конденсат из атомов стронция. Затем при помощи лазера один из атомов переводился в высоковозбужденное состояние. В результате получались ридберговские атомы с расстоянием между внешним электроном и ядром до нескольких сотен нанометров, что более чем в тысячу раз больше, чем в атоме водорода. Это настолько далеко, что между электроном и ядром помещалось множество других атомов в основном состоянии — в некоторых экспериментах их было до 170.
«Атомы не обладают электрическим зарядом, поэтому они оказывают лишь минимальное воздействие на электрон, — поясняет соавтор работы Сюхей Есида из Венского технического университета. — Получается совершенно особенная ситуация: обычно заряженное ядро удерживает электроны на своей орбите, а тут электрон удерживает нейтральные атомы». Природа этой связи в слабом квантовомеханическом рассеянии медленного электрона на атомах, что не вызывает существенного изменения орбиты. Такой феномен возможен только при сверхнизких температурах: энергия этой связи намного меньше, чем, например, между атомами в кристалле, и при повышении температуры такая система развалится. Авторы называют достигнутый результат прекрасной возможностью исследовать свойства конденсата Бозе — Эйнштейна на малых масштабах и с высокой точностью.