Учените създадоха нова форма на материя, наречена „фотонна молекула“! Ридберг заявява

Текущата версия на страницата все още не е проверена

Текущата версия на страницата все още не е прегледана от опитни членове и може да се различава значително от прегледаната на 9 ноември 2018 г.; изисква се проверка.

Ридбергови атоми(на името на J. R. Rydberg) - водородоподобни атоми и атоми на алкални метали, в които външният електрон е в силно възбудено състояние (до нива ноколо 1000). За да се прехвърли атом от основното му състояние във възбудено състояние, той се облъчва с резонансна лазерна светлина или се инициира RF разряд. Размерът на един Ридбергов атом може да надвишава размера на същия атом в основно състояние почти 106 пъти за н = 1000 (виж таблицата по-долу).

Електрон, който се върти в орбита с радиус rоколо ядрото, според втория закон на Нютон, то изпитва сила

От тези две уравнения получаваме израз за орбиталния радиус на електрона в състоянието н :

Където Ry = 13,6 eVе константата на Ридберг, а δ е дефектът на ядрения заряд, който като цяло ннезначителен. Енергийна разлика между н-m и ( н+1)-то енергийно ниво е равно на

Характерен размер на атома rnи типичният полукласически период на въртене на електрони са равни на

Дължината на вълната на излъчване на водороден атом по време на прехода от н′ = 91На н = 90 равно на 3,4 см.

Когато атомите се възбудят от основното състояние до състоянието на Ридберг, възниква интересен феномен, наречен "диполна блокада".

Кохерентният контрол на диполната блокада на атомите на Ридберг чрез лазерна светлина ги прави обещаващ кандидат за практическото прилагане на квантов компютър. Според научната преса до 2009 г. двукубитовият гейт елемент, който е важен за изчисленията, не е бил експериментално прилаган. Въпреки това има доклади за наблюдение на колективно възбуждане и динамично взаимодействие между два атома и в мезоскопски проби.

Силно взаимодействащите атоми на Ридберг се характеризират с квантово критично поведение, което осигурява фундаментално научен интерескъм тях независимо от приложението.

Изследванията, свързани с Ридберговите състояния на атомите, могат условно да бъдат разделени на две групи: изследване на самите атоми и използване на техните свойства за други цели.

През 2009 г. изследователи от успяха да получат молекулата Ридберг (Английски) .

Първите експериментални данни за атомите на Ридберг в радиоастрономията са получени през 1964 г. от Р. С. Сороченко и др.(ФИАН) на 22-метров огледален радиотелескоп, предназначен за изследване на излъчването на космически обекти в сантиметровия честотен диапазон. Когато телескопът беше фокусиран върху мъглявината Омега, в спектъра на радиоизлъчването, идващо от тази мъглявина, беше открита емисионна линия при дължина на вълната λ ≃ 3,4 cm. Тази дължина на вълната съответства на прехода между Ридбергови състояния н′ = 91И н = 90 в спектъра на водородния атом

Физиците Михаил Лукин и Владан Вулетич проведоха експеримент, при който фотоните взаимодействат като частици в молекула. Досега това се смяташе за възможно само на теория.

Михаил Лукин (Харвард) и Владан Вулетич (MIT) успяват да накарат фотоните да се свържат и да образуват нещо като молекула. Експериментално е получено ново състояние на материята, чиято възможност преди това е била разглеждана само теоретично. Работата им е описана в списанието Природатаот 25 септември.

Това откритие, казва Лукин, противоречи на идеите, натрупани в продължение на десетилетия за природата на светлината. Фотоните традиционно се описват като частици, които нямат маса и не взаимодействат помежду си: ако два лазерни лъча се изстрелят директно един към друг, те просто ще преминат един през друг.

„Повечето от известните свойства на светлината се дължат на факта, че фотоните нямат маса и не взаимодействат един с друг“, казва Лукин. „Но ние успяхме да създадем специален тип среда, в която фотоните взаимодействат толкова силно, че започват да се държат така, сякаш имат маса и се свързват един с друг, за да образуват молекули. Този тип свързано състояние на фотони се обсъжда теоретично от доста дълго време, но досега не е било възможно да се наблюдава.

Според Лукин аналогията със светлинния меч, която писателите на космическо фентъзи толкова много обичат, няма да е голяма. Когато такива фотони взаимодействат, те се отблъскват един друг и се отклоняват настрани. Това, което се случва в този момент с молекулите, е като битка със светлинен меч във филм.

За да принудят фотоните, които обикновено нямат маса, да се свържат един с друг, Лукин и колеги (Офер Фистерберг и Алексей Горшков от Харвард и Тибо Пейронел и Ци Лианг от Масачузетс) създадоха за тях екстремни условия. Изследователите изпомпват атоми на рубидий във вакуумна камера, след което с помощта на лазер охлаждат атомния облак почти до абсолютната нула. С помощта на ултра-слаби лазерни импулси те изстреляха единични фотони в този облак.
„Когато фотон навлезе в облак от студени атоми“, казва Лукин, „неговата енергия довежда атомите, които се „срещнаха по пътя“ в състояние на възбуда, което рязко забавя движението на фотона. Докато се движи през облака, енергията му се движи от атом на атом и накрая излиза от облака заедно с фотона. Когато фотон напусне тази среда, неговата идентичност се запазва. Това е същият ефект, който наблюдаваме, когато светлината се пречупва в чаша вода. Светлината навлиза във водата, предава част от енергията си на околната среда и съществува вътре в нея едновременно като светлина и материя. Но когато излиза от водата, все още е лек. В експеримента с фотони се случва приблизително същото, само че в повече висока степен: светлината се забавя значително и предава повече енергия на средата, отколкото при пречупване.

Изстрелвайки два фотона в облака, Лукин и колегите му установиха, че те излизат заедно като една молекула.
„Този ефект се нарича блокада на Ридберг“, обяснява Лукин. - Той се състои в това, че когато един атом е във възбудено състояние, най-близките до него атоми не могат да бъдат възбудени в същата степен. На практика това означава, че когато два фотона навлязат в атомен облак, първият възбужда един атом, но трябва да се придвижи напред, преди вторият фотон да възбуди съседния. В резултат на това, докато енергията на двата фотона преминава от атом към атом, те изглежда се дърпат и тласкат един друг през атомния облак. Фотонното взаимодействие се дължи на атомното взаимодействие. Това кара два фотона да се държат като молекула и те най-вероятно ще напуснат средата заедно като един фотон.

Този необичаен ефект има редица практически приложения.

„Ние го правим за собствено удоволствие и за да прекрачим границите на знанието“, казва Лукин. „Но нашите резултати се вписват добре в по-голямата картина, тъй като фотоните остават най-доброто средство за транспортиране на квантова информация днес. Досега основната пречка за използването им в това качество беше липсата на взаимодействие между тях.

За да създадете квантов компютър, трябва да създадете система, която може да съхранява квантова информация и да я обработва с помощта на квантови логически оператори. Основната трудност тук е, че квантовата логика изисква взаимодействие между единични кванти, след което системата може да бъде „включена“, за да обработва информация.

„Успяхме да покажем, че това е възможно“, казва Лукин. - Но преди да получимработещ квантов превключвател или създаване на фотонна логика, тепърва трябва да подобрим ефективността на процеса; сега това е по-скоро образец, демонстриращ фундаментална идея. Но също така представлява голяма стъпка: физическите принципи, които тази работа утвърждава, са много важни.

Системата, демонстрирана от изследователите, може да бъде полезна дори в класическите изчисления, където нуждата от различни медии непрекъснато нараства. Някои компании, включително IBM, работят върху системи, базирани на оптични рутери, които могат да преобразуват светлинни сигнали в електрически сигнали, но тези системи също имат ограничения.

Лукин също предположи, че системата, разработена от неговата група, може някой ден да се използва за създаване на триизмерни кристални структури от светлина.
„Все още не знаем как могат да бъдат приложени“, каза той, „но това е ново състояние на материята; надяваме се, че практическият смисъл ще се появи, докато продължаваме да изучаваме свойствата на фотонните молекули.

Въз основа на материали:

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Алексей В. Горшков, Михаил Д. Лукин, Владан Вулетич.

Повечето хора лесно ще назоват трите класически състояния на материята: течно, твърдо и газообразно. Тези, които познават малко наука, ще добавят плазма към тези три. Но с течение на времето учените разшириха списъка с възможни състояния на материята извън тези четири.

аморфен и твърд

Аморфните твърди тела са доста интересна подгрупа на добре познатото твърдо състояние. В един типичен твърд обект молекулите са добре организирани и нямат много място за движение. Това дава на твърдото вещество висок вискозитет, което е мярка за съпротивление на потока. Течностите, от друга страна, имат дезорганизирана молекулярна структура, която им позволява да текат, разпространяват, променят формата си и приемат формата на контейнера, в който се намират. Аморфните твърди тела са някъде между тези две състояния. В процеса на встъкляване течностите се охлаждат и техният вискозитет се увеличава до момента, в който веществото вече не тече като течност, но молекулите му остават неподредени и не придобиват кристална структура, както обикновените твърди вещества.

Най-често срещаният пример за аморфно твърдо вещество е стъклото. От хиляди години хората са правили стъкло от силициев диоксид. Когато производителите на стъкло охладят силициев диоксид от течното му състояние, той всъщност не се втвърдява, когато падне под точката си на топене. Когато температурата спадне, вискозитетът се повишава и веществото изглежда по-твърдо. Неговите молекули обаче все още остават неподредени. И тогава стъклото става аморфно и твърдо едновременно. Този преходен процес позволи на занаятчиите да създадат красиви и сюрреалистични стъклени структури.

Каква е функционалната разлика между аморфните твърди тела и обичайното твърдо състояние? IN Ежедневиетоне е много забележимо. Стъклото изглежда напълно твърдо, докато не го изследвате на молекулярно ниво. А митът, че стъклото тече с времето, не струва нито стотинка. Най-често този мит се подкрепя от аргументите, че старото стъкло в църквите изглежда по-дебело в долната част, но това се дължи на несъвършенството на процеса на издухване на стъклото по време на създаването на тези чаши. Въпреки това е интересно да се изучават аморфни твърди вещества като стъкло научна точкавизия за изследване на фазовите преходи и молекулната структура.

Суперкритични флуиди (флуиди)

Повечето фазови преходи се случват при определена температура и налягане. Общоизвестно е, че повишаването на температурата в крайна сметка превръща течността в газ. Въпреки това, когато налягането нараства с температурата, течността прави скок в царството на свръхкритичните течности, които имат свойствата както на газ, така и на течност. Например, свръхкритичните течности могат да преминават през твърди вещества като газ, но също така могат да действат като разтворител като течност. Интересното е, че суперкритичната течност може да бъде направена по-скоро като газ или течност, в зависимост от комбинацията от налягане и температура. Това позволи на учените да намерят много приложения за свръхкритичните течности.

Въпреки че свръхкритичните течности не са толкова често срещани, колкото аморфните твърди вещества, вероятно взаимодействате с тях толкова често, колкото бихте взаимодействали със стъкло. Суперкритичният въглероден диоксид е обичан от пивоварните компании заради способността му да действа като разтворител, когато взаимодейства с хмела, а компаниите за кафе го използват, за да произвеждат по-добро безкофеиново кафе. Свръхкритичните течности също са използвани за по-ефективна хидролиза и за поддържане на електроцентралите да работят при по-високи температури. Като цяло, вероятно използвате суперкритични течни вторични продукти всеки ден.

изроден газ

Въпреки че аморфни твърди частици се срещат поне на планетата Земя, изродената материя се среща само в някои видове звезди. Изроден газ съществува, когато външното налягане на дадено вещество се определя не от температурата, както на Земята, а от сложни квантови принципи, по-специално принципа на Паули. Поради това външното налягане на изродената материя ще се поддържа дори ако температурата на материята падне до абсолютната нула. Известни са два основни вида изродена материя: изродена от електрони и изродена от неутрони материя.

Електронно изродена материя съществува главно в белите джуджета. Той се образува в ядрото на звезда, когато масата на материята около ядрото се опитва да компресира електроните на ядрото до по-ниско енергийно състояние. Но според принципа на Паули две еднакви частици не могат да бъдат в едно и също енергийно състояние. Така частиците "отблъскват" материята около ядрото, създавайки налягане. Това е възможно само ако масата на звездата е по-малка от 1,44 слънчеви маси. Когато една звезда надхвърли тази граница (известна като границата на Чандрасекар), тя просто колабира в неутронна звезда или черна дупка.

Когато една звезда се срине и стане неутронна звезда, той вече няма електронно-дегенерирана материя, той се състои от неутронно-дегенерирана материя. Тъй като неутронната звезда е тежка, електроните се сливат с протони в нейното ядро, за да образуват неутрони. Свободни неутрони (неутроните не са свързани в атомно ядро) имат полуживот от 10,3 минути. Но в ядрото на неутронна звезда масата на звездата позволява неутроните да съществуват извън ядрата, образувайки неутронно-дегенерирана материя.

Други екзотични форми на изродена материя също могат да съществуват, включително странна материя, която може да съществува в рядката форма на звезди, кваркови звезди. Кварковите звезди са етапът между неутронната звезда и черната дупка, където кварките в ядрото са несвързани и образуват супа от свободни кварки. Все още не сме наблюдавали този тип звезди, но физиците признават тяхното съществуване.

Свръхфлуидност

Нека се върнем на Земята, за да обсъдим свръхфлуидите. Свръхфлуидността е състояние на материята, което съществува в определени изотопи на хелий, рубидий и литий, охладени почти до абсолютната нула. Това състояние е подобно на кондензат на Бозе-Айнщайн (Bose-Einstein condensate, BEC), с няколко разлики. Някои BEC са свръхфлуидни, а някои суперфлуиди са BEC, но не всички са идентични.

Течният хелий е известен със своята свръхфлуидност. Когато хелият се охлади до "ламбда точка" от -270 градуса по Целзий, част от течността става свръхфлуидна. Ако готино повечетовещества до определена точка, привличането между атомите преодолява топлинните вибрации в веществото, което им позволява да образуват твърда структура. Но атомите на хелия взаимодействат помежду си толкова слабо, че могат да останат течни при температура почти абсолютна нула. Оказва се, че при тази температура характеристиките на отделните атоми се припокриват, пораждайки странни свойства на свръхфлуидност.

Суперфлуидите нямат присъщ вискозитет. Свръхтечните вещества, поставени в епруветка, започват да пълзят по стените на епруветката, привидно нарушавайки законите на гравитацията и повърхностното напрежение. Течният хелий изтича лесно, тъй като може да се изплъзне дори през микроскопични дупки. Свръхфлуидността има и странни термодинамични свойства. В това състояние веществата имат нулева термодинамична ентропия и безкрайна топлопроводимост. Това означава, че две свръхтечни вещества не могат да бъдат термично различни. Ако се добави топлина към свръхтечно вещество, то ще я проведе толкова бързо, че се образуват топлинни вълни, които не са характерни за обикновените течности.

Кондензат на Бозе-Айнщайн

Кондензатът на Бозе-Айнщайн вероятно е една от най-известните неясни форми на материята. Първо, трябва да разберем какво представляват бозоните и фермионите. Фермионът е частица с полуцяло спин (като електрон) или съставна частица (като протон). Тези частици се подчиняват на принципа на Паули, който позволява съществуването на електронно-изродена материя. Един бозон обаче има пълно цяло числово въртене и няколко бозона могат да заемат едно квантово състояние. Бозоните включват всякакви частици, носещи сила (като фотони), както и някои атоми, включително хелий-4 и други газове. Елементите в тази категория са известни като бозонови атоми.

През 20-те години на миналия век Алберт Айнщайн взема работата на индийския физик Сатиендра Натх Бозе като основа, за да предложи нова форма на материя. Първоначалната теория на Айнщайн беше, че ако охладите определени елементарни газове до част от градуса над абсолютната нула, техните вълнови функции ще се слеят, създавайки един "суператом". Такова вещество ще прояви квантови ефекти на макроскопично ниво. Но едва през 90-те години се появи технологията, необходима за охлаждане на елементите до тези температури. През 1995 г. учените Ерик Корнел и Карл Виман успяха да слеят 2000 атома в кондензат на Бозе-Айнщайн, който беше достатъчно голям, за да се види под микроскоп.

Кондензатите на Бозе-Айнщайн са тясно свързани със свръхфлуидите, но също така имат свой собствен набор от уникални свойства. Също така е смешно, че BEC може да забави нормалната скорост на светлината. През 1998 г. ученият от Харвард Лене Хау успя да забави светлината до 60 километра в час, като прокара лазер през BEC проба с форма на пура. В по-късни експерименти групата на Хау успява напълно да спре светлината в BEC, като изключва лазера, докато светлината преминава през пробата. Тези експерименти откриха нова област на комуникация, базирана на светлина и квантово изчисление.

Ян-Телер метали

Металите на Ян-Телер са най-новото бебе в света на състоянията на материята, тъй като учените успяха да ги създадат успешно за първи път едва през 2015 г. Ако експериментите бъдат потвърдени от други лаборатории, тези метали могат да променят света, тъй като притежават свойствата както на изолатор, така и на свръхпроводник.

Учените, водени от химика Космас Прасайдс, експериментираха с въвеждането на рубидий в структурата на молекули въглерод-60 (известни като фулерени), което доведе до приемането на нова форма на фулерените. Този метал е кръстен на ефекта на Ян-Телер, който описва как налягането може да промени геометричната форма на молекулите в нови електронни конфигурации. В химията налягането се постига не само чрез изстискване на нещо, но и чрез добавяне на нови атоми или молекули към вече съществуваща структура, променяйки нейните основни свойства.

Когато изследователската група на Prassides започна да добавя рубидий към молекулите въглерод-60, въглеродните молекули се промениха от изолатори в полупроводници. Въпреки това, поради ефекта на Ян-Телер, молекулите се опитаха да останат в старата конфигурация, което създаде вещество, което се опита да бъде изолатор, но имаше електрическите свойства на свръхпроводник. Преходът между изолатор и свръхпроводник никога не е бил разглеждан до началото на тези експерименти.

Интересното при металите на Ян-Телер е, че те стават свръхпроводници при високи температури (-135 градуса по Целзий, а не при 243,2 градуса, както обикновено). Това ги доближава до приемливите нива за масово производство и експериментиране. Ако всичко бъде потвърдено, може би ще бъдем една стъпка по-близо до създаването на свръхпроводници, които работят на стайна температуракоето от своя страна ще революционизира много области от живота ни.

Фотонна материя

В продължение на много десетилетия се смяташе, че фотоните са безмасови частици, които не взаимодействат помежду си. И все пак през последните няколко години учени от Масачузетския технологичен институт и Харвард откриха нови начини да „придадат“ на светлината маса – и дори да създадат „светлинни молекули“, които отскачат една от друга и се свързват заедно. Някои смятат, че това е първата стъпка към създаването на светлинен меч.

Науката за фотонната материя е малко по-сложна, но е напълно възможно да се разбере. Учените започнаха да създават фотонна материя, като експериментираха със свръхохладен газ рубидий. Когато фотон се изстреля през газа, той се отразява и взаимодейства с молекулите на рубидий, губейки енергия и забавяйки се. В крайна сметка фотонът излиза от облака много бавно.

Странни неща започват да се случват, когато изпратите два фотона през газ, което създава феномен, известен като блокада на Ридберг. Когато един атом е възбуден от фотон, близките атоми не могат да бъдат възбудени в същата степен. Възбуденият атом е на пътя на фотона. За да може атом наблизо да бъде възбуден от втори фотон, първият фотон трябва да премине през газа. Фотоните обикновено не взаимодействат помежду си, но когато се сблъскат с блокада на Ридберг, те се избутват един друг през газа, като обменят енергия и взаимодействат помежду си. Отвън изглежда, че фотоните имат маса и действат като единична молекула, въпреки че всъщност остават безмасови. Когато фотоните излизат от газа, те изглежда се сливат, като молекула светлина.

Практическото приложение на фотонната материя все още е под въпрос, но със сигурност ще бъде намерено. Може би дори светлинни мечове.

Нарушена хиперхомогенност

Когато се опитват да определят дали дадено вещество е в ново състояние, учените разглеждат структурата на веществото, както и неговите свойства. През 2003 г. Салваторе Торкуато и Франк Стилингер от Принстънския университет предложиха ново състояние на материята, известно като неподредена хиперхомогенност. Въпреки че тази фраза изглежда като оксиморон, в основата си тя предполага нов тип материя, която изглежда неподредена отблизо, но супер-хомогенна и структурирана отдалеч. Такова вещество трябва да има свойствата на кристал и течност. На пръв поглед това вече съществува в плазмата и течния водород, но наскоро учените откриха естествен пример, където никой не очакваше: в кокоше око.

Пилетата имат пет конуса в ретината си. Четири разпознават цвета и един отговаря за нивата на светлина. Въпреки това, за разлика от човешкото око или шестоъгълните очи на насекомите, тези конуси са разпръснати на случаен принцип, без реален ред. Това е така, защото шишарките в окото на пилето имат зони на отчуждаване около тях, които не позволяват две конуси от един и същи тип да бъдат един до друг. Поради зоната на изключване и формата на конусите, те не могат да образуват подредени кристални структури (както в твърдите тела), но когато всички конуси се разглеждат като едно, изглежда, че имат силно подреден модел, както се вижда на изображенията от Принстън по-долу . По този начин можем да опишем тези конуси в ретината на кокошето око като течни, когато се гледат отблизо, и като твърди, когато се гледат отдалеч. Това е различно от аморфните твърди вещества, за които говорихме по-горе, защото този ултра-хомогенен материал ще действа като течност, а аморфният твърдо- Не.

Учените все още изследват това ново състояние на материята, тъй като то може да е по-често срещано, отколкото се смяташе първоначално. Сега учени от Принстънския университет се опитват да адаптират такива ултра-хомогенни материали, за да създадат самоорганизиращи се структури и светлинни детектори, които реагират на светлина с определена дължина на вълната.

Струнни мрежи

Какво състояние на материята е вакуумът на космоса? Повечето хора не мислят за това, но през последните десет години Xiao Gang-Wen от Масачузетския технологичен институт и Майкъл Левин от Харвард предложиха ново състояние на материята, което може да ни доведе до откриването на фундаментални частици отвъд електрона .

Пътят към разработването на флуиден модел на струна-мрежа започна в средата на 90-те години, когато група учени предложиха така наречените квазичастици, които изглежда се появиха в експеримент, когато електрони преминават между два полупроводника. Имаше раздвижване, тъй като квазичастиците действаха така, сякаш имаха частичен заряд, което изглеждаше невъзможно за физиката от онова време. Учените анализираха данните и предположиха, че електронът не е фундаментална частица на Вселената и че има фундаментални частици, които все още не сме открили. Тази работа ги донесе Нобелова награда, но по-късно се оказа, че в резултатите от работата им се е прокраднала грешка в експеримента. За квазичастиците безопасно забравени.

Но не всички. Уен и Левин взеха идеята за квазичастиците като основа и предложиха ново състояние на материята, състоянието на мрежата от струни. Основното свойство на такава държава е квантово заплитане. Както при неподредената хиперхомогенност, ако се вгледате внимателно в материята на мрежата от струни, тя изглежда като неподредена колекция от електрони. Но ако го погледнете като цялостна структура, ще видите висок ред поради квантово заплетените свойства на електроните. След това Вен и Левин разшириха работата си, за да обхванат други частици и свойства на заплитането.

След като стартираха компютърни модели за новото състояние на материята, Уен и Левин откриха, че краищата на мрежите от струни могат да произвеждат различни субатомни частици, включително легендарните "квазичастици". Още по-голяма изненада беше, че когато мрежестото вещество вибрира, то прави това в съответствие с уравненията на Максуел, отговорни за светлината. Уен и Левин предложиха, че космосът е изпълнен със струнни мрежи от заплетени субатомни частици и че краищата на тези струнни мрежи представляват субатомните частици, които наблюдаваме. Те също така предполагат, че течността от струна-мрежа може да осигури съществуването на светлина. Ако вакуумът на пространството е запълнен с флуид от струна, това може да ни позволи да комбинираме светлина и материя.

Всичко това може да изглежда много пресилено, но през 1972 г. (десетилетия преди предложенията за струнни мрежи), геолозите откриха странен материал в Чили - хербертсмитит. В този минерал електроните образуват триъгълни структури, които изглежда противоречат на всичко, което знаем за това как електроните взаимодействат помежду си. В допълнение, тази триъгълна структура е предсказана от модела на струнната мрежа и учените са работили с изкуствен хербертсмит, за да потвърдят точно модела.

Кварк-глюонна плазма

Говорейки за последното състояние на материята в този списък, помислете за състоянието, което започна всичко: кварк-глуонна плазма. В ранната Вселена състоянието на материята се различава значително от класическото. За начало малко предистория.

Кварките са елементарни частици, които намираме вътре в адроните (например протони и неутрони). Адроните са съставени или от три кварка, или от един кварк и един антикварк. Кварките имат дробни заряди и се държат заедно от глуони, които са обменните частици на силната ядрена сила.

Ние не виждаме свободни кварки в природата, а веднага след това голям взривза една милисекунда съществуват свободни кварки и глуони. През това време температурата на Вселената беше толкова висока, че кварките и глуоните се движеха почти със скоростта на светлината. През този период Вселената се състои изцяло от тази гореща кварк-глуонна плазма. След още част от секундата Вселената се е охладила достатъчно, за да образува тежки частици като адрони и кварките започват да взаимодействат помежду си и с глуони. От този момент започва формирането на известната ни Вселена и адроните започват да се свързват с електрони, създавайки примитивни атоми.

Вече в съвременната вселена учените са се опитали да пресъздадат кварк-глуонната плазма в големи ускорители на частици. По време на тези експерименти тежки частици като адрони се сблъскват една с друга, създавайки температура, при която кварките се разделят за кратко време. В хода на тези експерименти научихме много за свойствата на кварк-глуонната плазма, в която нямаше абсолютно никакво триене и която приличаше повече на течност, отколкото на обикновена плазма. Експериментите с екзотично състояние на материята ни позволяват да научим много за това как и защо нашата Вселена се е формирала така, както я познаваме.

15 ноември 2017 г Генадий

план:

1 Свойства на атомите на Ридберг
- 1.1 Диполна блокада на Ридбергови атоми
2 Насоки на изследване и възможни приложения

Въведение

Ридбергови атоми(на името на J. R. Rydberg) - атоми на алкални метали, в които външният електрон е в силно възбудено състояние (до нива n ~ 100). За да се прехвърли атом от основното му състояние във възбудено състояние, той се облъчва с резонансна лазерна светлина или се инициира RF разряд. Размерът на атома на Ридберг значително надвишава размера на същия атом в основно състояние с почти 10 000 пъти за n=100 (виж таблицата по-долу).

1. Свойства на атомите на Ридберг

Електрон, който се върти в орбита с радиус rоколо ядрото, според втория закон на Нютон, то изпитва сила:

Където к= 1/(4πε 0), де зарядът на електрона.

Орбитален момент в единици ħ равно на:

От тези две уравнения получаваме израз за орбиталния радиус на електрон в състояние "n"

Схема на лазерно възбуждане на атом на рубидий в ридбергово състояние

Енергията на свързване на такъв водородоподобен атом е

където Ry = 13,6 eV е константата на Ридберг и δ дефект на ядрения заряд, който като цяло ннезначителен. Енергийна разлика между н-м и n+1-то енергийно ниво е приблизително равно на

Характерен размер на атома rnи типичният полукласически период на въртене на електрони са равни на

Където a B = 0,5×10 −10 mе радиусът на Бор, и T 1 ~ 10 −16 s.

Нека сравним някои числа на основното и Ридбергово състояние на водородния атом.

1.1. Диполна блокада на Ридбергови атоми

Когато атомите се възбудят от основното състояние до състоянието на Ридберг, възниква интересен феномен, т.нар. диполна блокада.В разредена атомна пара разстоянието между атомите в основно състояние е голямо и практически няма взаимодействие между атомите. Въпреки това, когато атомите се възбудят до състоянието на Ридберг, техният орбитален радиус се увеличава с н 2 до ~1 µm. В резултат на това атомите се "приближават", взаимодействието между тях се увеличава значително, което предизвиква изместване на енергията на състоянията на атомите. До какво води това? Да приемем, че само един атом може да бъде възбуден от основното състояние в състоянието на Риберг чрез слаб светлинен импулс. Опит за заселване на същото ниво с друг атом става очевидно невъзможен поради "диполната блокада".

2. Насоки на изследване и възможни приложения

Основни области на изследване:

От няколко щата с големи нвъзможно е да се състави вълнов пакет, който ще бъде повече или по-малко локализиран в пространството. Ако орбиталното квантово число също е голямо, тогава ще получим почти класическа картина: локализиран електронен облак се върти около ядрото на голямо разстояние от него.
Ако орбиталният импулс е малък, тогава движението на такъв вълнов пакет ще бъде квази-едноизмерен: Електронният облак ще се отдалечи от ядрото и ще го приближи отново. Това е аналог на силно издължена елиптична орбита в класическата механика при движение около Слънцето.
Поведение на ридбергов електрон във външни електрически и магнитни полета. Обикновените електрони в близост до ядрото усещат най-вече силното електростатично поле на ядрото (от порядъка на 10 9 V/cm), А външни ръбовеза тях роля играят само малки добавки. Ридберговият електрон усеща силно отслабено поле на ядрото ( E~E0/n4), и следователно външните полета могат радикално да изкривят движението на електрона.
Атомите с два ридбергови електрона имат интересни свойства, като единият електрон се „върти“ около ядрото на по-голямо разстояние от другия. Такива атоми се наричат планетарен.
Според една от хипотезите кълбовидната мълния се състои от веществото Ридберг.

Необичайните свойства на атомите на Ридберг вече намират приложения

Квантови детектори на радиоизлъчване: Атомите на Ридберг могат да регистрират дори един фотон в радиообхвата, което далеч надхвърля възможностите на конвенционалните антени.
Стъпаловиден енергиен спектър на Rydberg електрон служи като "енергиен баланс", който може да се използва за точни измервания на енергия.
Атомите на Ридберг също се наблюдават в междузвездната среда. Те са много чувствителни сензори за налягане, създадени за нас от самата природа.

През 2009 г. изследователи от университета в Щутгарт успяха да получат молекулата Ридберг.

Бележки

У. ДемтродърЛазерна спектроскопия: Основни понятия и инструменти. - Springer, 2009. - 924 с. - ISBN 354057171X
R. Heidemann и др. (2007). „Доказателство за кохерентно колективно Ридбергово възбуждане в режим на силна блокада – link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601“. Писма за физически преглед 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120 - arxiv.org/abs/quant-ph/0701120.
Кохезия в кълбовидна мълния - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru "За първи път в света е получена молекулата на Ридберг" - www.membrana.ru/lenta/?9250

В кондензата на Бозе-Айнщайн от атоми на стронций-84 могат да се появят полярони, които са атоми на Ридберг, заобиколени от облак от еластични деформации. Този ефект беше наблюдаван на практика и обоснован теоретично от физици от Австрия и САЩ. Статия, публикувана в Писма за физически преглед, предпечат на работата е достъпен на arXiv.org.

Когато бавен електрон се движи през диелектрик, той взаимодейства с неговите атоми и деформира (поляризира) решетката. Когато един електрон се движи, зоната на деформация се измества заедно с него и се оказва, че електронът е постоянно заобиколен от облак от фонони. Освен това се оказва, че полученият има квадратичен спектър, тоест има някаква ефективна маса (тя е малко по-голяма от масата на „обикновена“ електрон-квазичастица). Такава квазичастица се нарича полярон. Тази квазичастица не трябва да се бърка с поляритонпроизтичащи от взаимодействието на фотони с елементарни възбуждания на средата (фонони, екситони, плазмони, магнони и т.н.).

Поляроните възникват не само в диелектрици, но и в метали, полупроводници, йонни кристали и дори феромагнетици (вижте „чанта Nagaoka“), а не само електрон, но и друга заредена нехомогенност може да действа като „ядро“ на полярон. Разбира се, свойствата на поляроните в различните материали са различни. Поляроните играят важна роля в обяснението на проводимостта на йонните кристали и полярните полупроводници, трансфера на въртене в органичните полупроводници и оптичната абсорбция в двуизмерни материали.

В тази статия екип, ръководен от Томас Килиан, докладва спектроскопски наблюдения на полярони на Ридберг в атоми на стронций-84. В такива полярони атомът на Ридберг действа като "ядро" - атом, в който електронът е много силно възбуден, тоест той е на ниво с много голяма стойност на основното квантово число . В резултат на това вътрешността на атома може да се разглежда като ефективна частица с единичен положителен заряд и голяма маса, а като цяло атомът силно наподобява обикновен водороден атом.

Първо, изследователите подготвиха Бозе кондензат, като уловиха облак от стронциеви атоми с лазерни лъчи (оптичен диполен капан) и го охладиха до около 150 нанокелвина. Средното разстояние между съседните атоми в такъв кондензат е около 80 нанометра. След това учените йонизирали атомите с помощта на кратки (от порядъка на микросекунда) лазерни светкавици с дължина на вълната 689 и 319 нанометра. В резултат на това един от електроните във външната обвивка на стронциевия атом се прехвърля от с-орбитали на стр-орбитален, а след това скочи на с-висока орбитала н-та черупка. Накрая учените измерват линейния отговор на кондензата на Бозе, т.е. установяват как амплитудата на прехода между основно (невъзбудено) и възбудено състояние зависи от честотата на възбуждане. В резултат на това изследователите установиха, че при ниски честоти отговорът нараства в съответствие с разпределението на Гаус (защриховани области на фигурата), а когато се достигне максимумът, спектърът става почти постоянен.

Зависимост на линейния отговор от честотата на възбуждане за различни стойности на главното квантово число нРидбергов атом, образуващ полярон. Линиите показват теоретично изчислената зависимост, точките показват експерименталните данни

F. Camargo и др. / Phys. Rev. Lett.

Учените също са изследвали числено кондензата на стронциевите атоми, за да обяснят появата на поляроните. Наистина, чрез изписване и диагонализиране на Хамилтониана на Ридбергов атом, поставен в Бозе кондензат, може да се получи поляронов спектър (Хамилтониан на Фрьолих). За да направят това, физиците са използвали предварително разработен подход, базиран на изчисляването на функционални детерминанти (функционален детерминантен подход, FDA). Теоретично изчислената зависимост обяснява добре експерименталните данни, а гаусовата й част съответства на образуването на полярони.

Най-общо казано, физиците обикновено работят с бозе-кондензата на атомите на рубидий-87 и по-рано авторите на статията вече са се опитвали да разпознаят в него полярони. Въпреки това, поради характеристиките на електронните обвивки ( - резонанс във формата на вълната) абсорбционният спектър на атомите на Ридберг на рубидий силно зависи от номера на нивото н, върху който се намира електронът, и това затруднява разпознаването в експерименталните данни на резонансите, съответстващи на поляроните. В кондензат от атоми на стронций-84 такива проблеми не възникват.

В края на миналата година швейцарски физици от Института по квантова електроника в кондензата на Бозе от атоми на рубидий-87, режими на трептене на Хигс и Голдстоун, въпреки че обикновено един от тези режими е потиснат. За да направят това, те задържаха кондензата с помощта на лазерни лъчи и наблюдаваха възбужданията, възникващи в него, с помощта на спектроскопия на Брег.

Дмитрий Трунин