Tiedemiehet ovat luoneet uuden aineen muodon, jota kutsutaan "fotoniseksi molekyyliksi"! Rydberg toteaa

Sivun nykyistä versiota ei ole vielä tarkistettu

Kokeneet jäsenet eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 9. marraskuuta 2018 tarkistetusta; vahvistus vaaditaan.

Rydbergin atomit(nimetty J. R. Rydbergin mukaan) - vedyn kaltaiset atomit ja alkalimetalliatomit, joissa ulompi elektroni on erittäin virittyneessä tilassa (tasoihin asti n noin 1000). Atomin siirtämiseksi perustilasta viritettyyn tilaan se säteilytetään resonanssilaservalolla tai käynnistetään RF-purkaus. Rydberg-atomin koko voi ylittää saman atomin koon perustilassa lähes 106 kertaa n = 1000 (katso alla oleva taulukko).

Säteisellä kiertoradalla pyörivä elektroni r ytimen ympärillä Newtonin toisen lain mukaan se kokee voiman

Näistä kahdesta yhtälöstä saadaan lauseke tilassa olevan elektronin kiertoradalle n :

Missä Ry = 13,6 eV on Rydbergin vakio ja δ on ydinvarausvika, joka yleensä n merkityksetön. Energia ero n-m ja ( n+1) energiatasot on yhtä suuri kuin

Atomin tyypillinen koko rn ja tyypillinen puoliklassinen elektronin kierron jakso ovat yhtä suuret

Vetyatomin emission aallonpituus siirtymän aikana n= 91 päällä n = 90 yhtä suuri kuin 3,4 cm.

Kun atomit viritetään perustilasta Rydberg-tilaan, tapahtuu mielenkiintoinen ilmiö, jota kutsutaan "dipolisulkuksi".

Rydberg-atomien dipolisalpauksen koherentti hallinta laservalolla tekee niistä lupaavan ehdokkaan kvanttitietokoneen käytännön toteutuksessa. Tieteellisen lehdistön mukaan vuoteen 2009 asti laskennan kannalta tärkeää kahden kubitin porttielementtiä ei toteutettu kokeellisesti. On kuitenkin olemassa raportteja kahden atomin välisen kollektiivisen virityksen ja dynaamisen vuorovaikutuksen havainnoista sekä mesoskooppisista näytteistä.

Voimakkaasti vuorovaikutuksessa oleville Rydberg-atomeille on ominaista kvanttikriittinen käyttäytyminen, joka tarjoaa perustan tieteellinen kiinnostus heille sovelluksesta riippumatta.

Atomien Rydberg-tiloihin liittyvät tutkimukset voidaan jakaa ehdollisesti kahteen ryhmään: atomien itsensä tutkimiseen ja niiden ominaisuuksien käyttöön muihin tarkoituksiin.

Vuonna 2009 tutkijat onnistuivat saamaan Rydberg-molekyylin (Englanti) .

Ensimmäiset kokeelliset tiedot Rydberg-atomeista radioastronomiassa saivat R. S. Sorochenko ym. (FIAN) vuonna 1964 22-metrisellä peiliradioteleskoopilla, joka oli suunniteltu tutkimaan avaruusobjektien säteilyä senttimetrin taajuusalueella. Kun teleskooppi kohdistettiin Omega-sumuun, tästä sumusta tulevan radiosäteilyn spektrissä havaittiin emissioviiva aallonpituudella λ ≃ 3,4 cm. Tämä aallonpituus vastaa siirtymää Rydbergin tilojen välillä n= 91 Ja n = 90 vetyatomin spektrissä

Fyysikot Mikhail Lukin ja Vladan Vuletic suorittivat kokeen, jossa fotonit ovat vuorovaikutuksessa kuten hiukkaset molekyylissä. Tähän asti tätä pidettiin mahdollisena vain teoriassa.

Mikhail Lukin (Harvard) ja Vladan Vuletic (MIT) onnistuivat saamaan fotonit sitoutumaan ja muodostamaan eräänlaisen molekyylin. Kokeellisesti saatiin uusi aineen tila, jonka olemassaolon mahdollisuutta oli aiemmin pohdittu vain teoreettisesti. Heidän työnsä on kuvattu lehdessä Luonto päivätty 25. syyskuuta.

Tämä löytö, Lukin sanoo, on vastoin valon luonteesta vuosikymmeniä kertynyttä ajatusta. Fotoneja kuvataan perinteisesti hiukkasiksi, joilla ei ole massaa ja jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa: jos kaksi lasersädettä ammutaan suoraan toisiaan kohti, ne yksinkertaisesti kulkevat toistensa läpi.

"Suurin osa tunnetuista valon ominaisuuksista johtuu siitä, että fotoneilla ei ole massaa eivätkä ne ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa", Lukin sanoo. "Mutta olemme onnistuneet luomaan erityisen tyyppisen väliaineen, jossa fotonit vuorovaikuttavat niin voimakkaasti, että ne alkavat käyttäytyä ikään kuin niillä olisi massaa ja sitoutuvat toisiinsa muodostaen molekyylejä. Tämän tyyppisestä fotonien sitoutuneesta tilasta on keskusteltu teoreettisesti melko pitkään, mutta toistaiseksi sitä ei ole voitu havaita.

Lukinin mukaan valomiekan analogia, jota avaruusfantasiakirjailijat rakastavat niin paljon, ei ole suuri venytys. Kun tällaiset fotonit ovat vuorovaikutuksessa, ne hylkivät toisiaan ja taipuvat sivulle. Se, mitä tällä hetkellä tapahtuu molekyyleille, on kuin valomiekkataistelu elokuvassa.

Pakottaakseen fotonit, joilla normaalisti ei ole massaa, sitoutumaan toisiinsa, Lukin ja kollegat (Ofer Fisterberg ja Aleksei Gorshkov Harvardista sekä Thibaut Peyronel ja Qi Liang Massachusettsista) loivat heille äärimmäiset olosuhteet. Tutkijat pumppasivat rubidiumatomeja tyhjiökammioon ja jäähdyttivät sitten atomipilven laserilla lähes absoluuttiseen nollaan. Ultraheikkojen laserpulssien avulla he ampuivat yksittäisiä fotoneja tähän pilveen.
"Kun fotoni tulee kylmien atomien pilveen", Lukin sanoo, "sen energia saattaa "matkallaan kohtaamat" atomit viritystilaan, mikä hidastaa jyrkästi fotonin liikettä. Kun se liikkuu pilven läpi, sen energia kulkee atomista atomiin ja lopulta poistuu pilvestä fotonin mukana. Kun fotoni poistuu tästä väliaineesta, sen identiteetti säilyy. Tämä on sama vaikutus, jonka näemme, kun valo taittuu vesilasissa. Valo tulee veteen, siirtää osan energiastaan ympäristöön ja on sen sisällä samanaikaisesti valona ja aineena. Mutta kun se tulee vedestä, se on edelleen kevyt. Fotoneilla tehdyssä kokeessa tapahtuu suunnilleen sama asia, vain enemmän korkea aste: valo hidastuu merkittävästi ja siirtää enemmän energiaa väliaineeseen kuin taittumalla.

Ampumalla kaksi fotonia pilveen Lukin ja kollegat havaitsivat, että ne tulivat yhdessä yhdeksi molekyyliksi.
"Tätä vaikutusta kutsutaan Rydbergin saartoksi", Lukin selittää. - Se johtuu siitä, että kun atomi on virittyneessä tilassa, sitä lähimpänä olevat atomit eivät voi virittyä samassa määrin. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kun kaksi fotonia saapuu atomipilveen, ensimmäinen virittää yhden atomin, mutta sen täytyy siirtyä eteenpäin ennen kuin toinen fotoni virittää viereisen. Tämän seurauksena kahden fotonin energian siirtyessä atomista atomiin ne näyttävät vetävän ja työntävän toisiaan atomipilven läpi. Fotonien vuorovaikutus johtuu atomien vuorovaikutuksesta. Se saa kaksi fotonia käyttäytymään kuin molekyyli, ja ne todennäköisimmin jättävät väliaineen yhdessä fotonina."

Tällä epätavallisella vaikutuksella on useita käytännön sovelluksia.

"Teemme sitä omaksi iloksemme ja tiedon rajojen rikkomiseksi", Lukin sanoo. "Mutta tuloksemme sopivat hyvin kokonaisuuteen, sillä fotonit ovat edelleen paras keino kuljettaa kvanttitietoa nykyään. Tähän asti suurin este niiden käyttämiselle tässä ominaisuudessa on ollut niiden välisen vuorovaikutuksen puute.

Kvanttitietokoneen luomiseksi sinun on luotava järjestelmä, joka voi tallentaa kvanttitietoa ja käsitellä sitä kvanttilogiikkaoperaattoreiden avulla. Suurin vaikeus tässä on, että kvanttilogiikka vaatii vuorovaikutusta yksittäisten kvanttien välillä, jolloin järjestelmä voidaan "käynnistää" käsittelemään tietoa.

"Pystyimme osoittamaan, että tämä on mahdollista", Lukin sanoo. - Mutta ennen kuin pääsemme toimiva kvanttikytkin tai luoda fotonista logiikkaa, meidän on vielä parannettava prosessin tehokkuutta; nyt se on pikemminkin esimerkki, joka osoittaa perusidean. Mutta se edustaa myös suurta askelta: fyysiset periaatteet, joita tämä työ vaatii, ovat erittäin tärkeitä.

Tutkijoiden esittelemä järjestelmä voi olla hyödyllinen myös klassisessa laskennassa, jossa tarve erilaisille medioille kasvaa jatkuvasti. Jotkut yritykset, mukaan lukien IBM, kehittävät järjestelmiä, jotka perustuvat optisiin reitittimiin, jotka voivat muuntaa valosignaalit sähköisiksi signaaleiksi, mutta näillä järjestelmillä on myös rajoituksia.

Lukin ehdotti myös, että hänen ryhmänsä kehittämää järjestelmää voitaisiin joskus käyttää kolmiulotteisten kristallimaisten rakenteiden luomiseen valosta.
"Emme vielä tiedä, kuinka niitä voidaan soveltaa", hän sanoi, "mutta tämä on uusi aineen tila; Toivomme, että käytännön merkitys ilmaantuu, kun jatkamme fotonimolekyylien ominaisuuksien tutkimista.

Materiaalien perusteella:

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Aleksei V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić.

Useimmat ihmiset nimeävät helposti kolme klassista aineen tilaa: nestemäinen, kiinteä ja kaasumainen. Ne, jotka tuntevat vähän tiedettä, lisäävät plasmaa näihin kolmeen. Mutta ajan mittaan tutkijat ovat laajentaneet luetteloa mahdollisista aineen olomuodoista näiden neljän lisäksi.

amorfinen ja kiinteä

Amorfiset kiinteät aineet ovat melko mielenkiintoinen osajoukko hyvin tunnetusta kiinteästä olomuodosta. Tyypillisessä kiinteässä esineessä molekyylit ovat hyvin organisoituneita, eikä niillä ole paljon tilaa liikkua. Tämä antaa kiinteälle aineelle korkean viskositeetin, joka on virtausvastuksen mitta. Toisaalta nesteillä on epäjärjestynyt molekyylirakenne, jonka ansiosta ne voivat virrata, levitä, muuttaa muotoa ja ottaa sen säiliön muodon, jossa ne ovat. Amorfiset kiinteät aineet ovat jossain näiden kahden tilan välissä. Lasittumisprosessissa nesteet jäähtyvät ja niiden viskositeetti kasvaa, kunnes aine ei enää virtaa nesteen tavoin, vaan sen molekyylit pysyvät epäjärjestyksessä eivätkä ota kiteistä rakennetta, kuten tavalliset kiinteät aineet.

Yleisin esimerkki amorfisesta kiinteästä aineesta on lasi. Tuhansien vuosien ajan ihmiset ovat valmistaneet lasia piidioksidista. Kun lasinvalmistajat jäähdyttävät piidioksidia nestemäisestä tilastaan, se ei itse asiassa kiinteydy, kun se laskee sulamispisteensä alapuolelle. Lämpötilan laskiessa viskositeetti nousee ja aine näyttää kovemmalta. Sen molekyylit ovat kuitenkin edelleen häiriintyneitä. Ja sitten lasi muuttuu amorfiseksi ja kiinteäksi samanaikaisesti. Tämä siirtymäprosessi antoi käsityöläisille mahdollisuuden luoda kauniita ja surrealistisia lasirakenteita.

Mikä on toiminnallinen ero amorfisten kiinteiden aineiden ja tavallisen kiinteän aineen välillä? SISÄÄN Jokapäiväinen elämä se ei ole kovin havaittavissa. Lasi näyttää olevan täysin kiinteää, kunnes tutkit sitä molekyylitasolla. Ja myytti, että lasi virtaa ajan myötä, ei ole pennin arvoinen. Useimmiten tätä myyttiä tukevat väitteet, joiden mukaan kirkkojen vanha lasi näyttää paksummalta alaosasta, mutta tämä johtuu lasinpuhallusprosessin epätäydellisyydestä näiden lasien luomishetkellä. On kuitenkin mielenkiintoista tutkia amorfisia kiinteitä aineita, kuten lasia tieteellinen näkökohta visio faasimuutosten ja molekyylirakenteen tutkimukseen.

Ylikriittiset nesteet (nesteet)

Useimmat faasisiirtymät tapahtuvat tietyssä lämpötilassa ja paineessa. On yleisesti tiedossa, että lämpötilan nousu muuttaa lopulta nesteen kaasuksi. Kuitenkin paineen noustessa lämpötilan myötä neste hyppää ylikriittisten nesteiden maailmaan, joilla on sekä kaasun että nesteen ominaisuuksia. Esimerkiksi ylikriittiset nesteet voivat kulkea kiinteiden aineiden läpi kaasuna, mutta voivat toimia myös liuottimena nesteenä. Mielenkiintoista on, että ylikriittinen neste voidaan tehdä enemmän kaasuksi tai nesteeksi paineen ja lämpötilan yhdistelmästä riippuen. Tämän ansiosta tutkijat ovat löytäneet monia käyttötarkoituksia ylikriittisille nesteille.

Vaikka ylikriittiset nesteet eivät ole yhtä yleisiä kuin amorfiset kiinteät aineet, olet todennäköisesti vuorovaikutuksessa niiden kanssa yhtä usein kuin lasin kanssa. Panimoyhtiöt rakastavat ylikriittistä hiilidioksidia sen kyvystä toimia liuottimena humalan kanssa, ja kahviyhtiöt käyttävät sitä paremman kofeiinittoman kahvin valmistukseen. Ylikriittisiä nesteitä on käytetty myös tehokkaampaan hydrolyysiin ja voimalaitosten pitämiseen käynnissä korkeammissa lämpötiloissa. Yleensä käytät todennäköisesti ylikriittisiä nestemäisiä sivutuotteita joka päivä.

rappeutunut kaasu

Vaikka amorfisia kiinteitä aineita löytyy ainakin maapallolta, degeneroitunutta ainetta löytyy vain tietyntyyppisistä tähdistä. Degeneroitunut kaasu on olemassa, kun aineen ulkoista painetta ei määritä lämpötila, kuten maan päällä, vaan monimutkaiset kvanttiperiaatteet, erityisesti Paulin periaate. Tästä johtuen degeneroituneen aineen ulkoinen paine säilyy, vaikka aineen lämpötila putoaisi absoluuttiseen nollaan. Degeneroituneen aineen kaksi päätyyppiä tunnetaan: elektronien rappeutunut aine ja neutroni-degeneroitunut aine.

Elektronisesti rappeutunutta ainetta esiintyy pääasiassa valkoisissa kääpiöissä. Se muodostuu tähden ytimeen, kun ytimen ympärillä oleva ainemassa yrittää puristaa ytimen elektroneja alempaan energiatilaan. Paulin periaatteen mukaan kaksi identtistä hiukkasta ei kuitenkaan voi olla samassa energiatilassa. Siten hiukkaset "hylkivät" ainetta ytimen ympärillä luoden painetta. Tämä on mahdollista vain, jos tähden massa on alle 1,44 auringon massaa. Kun tähti ylittää tämän rajan (tunnetaan nimellä Chandrasekhar-raja), se yksinkertaisesti romahtaa neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi.

Kun tähti romahtaa ja muuttuu neutronitähti, siinä ei enää ole elektronien rappeutettua ainetta, se koostuu neutronien rappeutuneesta aineesta. Koska neutronitähti on raskas, elektronit sulautuvat sen ytimessä olevien protonien kanssa muodostaen neutroneja. Vapaat neutronit (neutronit eivät ole sidottu atomiydin) puoliintumisaika on 10,3 minuuttia. Mutta neutronitähden ytimessä tähden massa sallii neutronien olemassaolon ytimien ulkopuolella muodostaen neutronien rappeutunutta ainetta.

Muita eksoottisia rappeutuneen aineen muotoja voi myös esiintyä, mukaan lukien outoa ainetta, joka voi esiintyä harvinaisessa tähtimuodossa, kvarkkitähdissä. Kvarkkitähdet ovat neutronitähden ja mustan aukon välinen vaihe, jossa ytimen kvarkit ovat sitoutumattomia ja muodostavat vapaiden kvarkkien keiton. Emme ole vielä havainneet tämän tyyppisiä tähtiä, mutta fyysikot myöntävät niiden olemassaolon.

Superfluiditeetti

Palataan takaisin Maahan keskustelemaan supernesteistä. Superfluiditeetti on aineen tila, joka esiintyy tietyissä heliumin, rubidiumin ja litiumin isotoopeissa jäähdytettynä lähes absoluuttiseen nollaan. Tämä tila on samanlainen kuin Bose-Einstein-kondensaatti (Bose-Einstein-kondensaatti, BEC), muutamalla erolla. Jotkut BEC:t ovat supernesteitä ja jotkut supernesteet ovat BEC:itä, mutta kaikki eivät ole identtisiä.

Nestemäinen helium tunnetaan superfluiditeetistaan. Kun helium jäähdytetään "lambdapisteeseen" -270 celsiusastetta, osa nesteestä muuttuu supernesteiseksi. Jos siistiä suurin osa aineiden tiettyyn pisteeseen asti atomien välinen vetovoima voittaa aineen lämpövärähtelyt, jolloin ne voivat muodostaa kiinteän rakenteen. Mutta heliumatomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään niin heikosti, että ne voivat pysyä nestemäisinä lähes absoluuttisen nollan lämpötilassa. Osoittautuu, että tässä lämpötilassa yksittäisten atomien ominaisuudet menevät päällekkäin, mikä aiheuttaa outoja superfluiditeetin ominaisuuksia.

Supernesteillä ei ole rajaviskositeettia. Koeputkeen laitetut supernesteet alkavat hiipiä koeputken reunoja pitkin, mikä ilmeisesti rikkoo painovoiman ja pintajännityksen lakeja. Nestemäinen helium vuotaa helposti, koska se voi liukua jopa mikroskooppisten reikien läpi. Superfluiditeetilla on myös outoja termodynaamisia ominaisuuksia. Tässä tilassa aineilla on nolla termodynaaminen entropia ja ääretön lämmönjohtavuus. Tämä tarkoittaa, että kaksi supernesteainetta ei voi erota termisesti toisistaan. Jos supernesteaineeseen lisätään lämpöä, se johtaa sen niin nopeasti, että muodostuu lämpöaaltoja, jotka eivät ole tyypillisiä tavallisille nesteille.

Bose-Einstein-kondensaatti

Bose-Einstein-kondensaatti on luultavasti yksi tunnetuimmista epämääräisistä aineen muodoista. Ensinnäkin meidän on ymmärrettävä, mitä bosonit ja fermionit ovat. Fermioni on hiukkanen, jonka spin on puolikokonaisluku (kuten elektroni) tai komposiittihiukkanen (kuten protoni). Nämä hiukkaset noudattavat Paulin periaatetta, joka sallii elektronien rappeutuneen aineen olemassaolon. Bosonilla on kuitenkin täysi kokonaislukuspin, ja useat bosonit voivat miehittää yhden kvanttitilan. Bosonit sisältävät kaikki voimaa kuljettavat hiukkaset (kuten fotonit) sekä joitain atomeja, mukaan lukien helium-4 ja muut kaasut. Tämän luokan alkuaineita kutsutaan bosoniatomeiksi.

Albert Einstein käytti 1920-luvulla intialaisen fyysikon Satyendra Nath Bosen työtä perustana ehdottaakseen uutta aineen muotoa. Einsteinin alkuperäinen teoria oli, että jos jäähdytät tietyt alkuainekaasut asteen murto-osaan absoluuttisen nollan yläpuolelle, niiden aaltofunktiot sulautuvat yhteen, jolloin syntyy yksi "superatomi". Tällaisella aineella on kvanttivaikutuksia makroskooppisella tasolla. Mutta vasta 1990-luvulla syntyi tekniikka, joka tarvittiin elementtien jäähdyttämiseen näihin lämpötiloihin. Vuonna 1995 tutkijat Eric Cornell ja Carl Wiemann pystyivät sulattamaan 2000 atomia Bose-Einstein-kondensaatiksi, joka oli riittävän suuri mikroskoopin alla nähtäväksi.

Bose-Einstein-kondensaatit liittyvät läheisesti supernesteisiin, mutta niillä on myös omat ainutlaatuiset ominaisuudet. On myös hauskaa, että BEC voi hidastaa normaalia valonnopeutta. Vuonna 1998 Harvardin tiedemies Lene Howe pystyi hidastamaan valon nopeuden 60 kilometriin tunnissa ohjaamalla laserin sikarin muotoisen BEC-näytteen läpi. Myöhemmissä kokeissa Howen ryhmä onnistui pysäyttämään valon kokonaan BEC:ssä sammuttamalla laserin valon kulkiessa näytteen läpi. Nämä kokeet avasivat uuden viestintäkentän, joka perustuu valo- ja kvanttilaskentaan.

Jan-Teller Metals

Jahn-Teller-metallit ovat uusin vauva ainetilojen maailmassa, sillä tutkijat onnistuivat luomaan niitä ensimmäisen kerran vuonna 2015. Jos muut laboratoriot vahvistavat kokeet, nämä metallit voivat muuttaa maailmaa, sillä niillä on sekä eristeen että suprajohteen ominaisuuksia.

Kemisti Cosmas Prassidesin johtamat tutkijat kokeilivat lisäämällä rubidiumia hiili-60-molekyylien rakenteeseen (tunnetaan yleisesti fullereeneinä), mikä johti siihen, että fullereenit saivat uuden muodon. Tämä metalli on nimetty Jahn-Teller-ilmiön mukaan, joka kuvaa kuinka paine voi muuttaa molekyylien geometrista muotoa uusissa elektronisissa kokoonpanoissa. Kemiassa painetta ei saavuteta pelkästään puristamalla jotain, vaan myös lisäämällä olemassa olevaan rakenteeseen uusia atomeja tai molekyylejä muuttaen sen perusominaisuuksia.

Kun Prassidesin tutkimusryhmä alkoi lisätä rubidiumia hiili-60-molekyyleihin, hiilimolekyylit muuttuivat eristeistä puolijohteiksi. Jahn-Teller-ilmiön vuoksi molekyylit yrittivät kuitenkin pysyä vanhassa konfiguraatiossa, mikä loi aineen, joka yritti olla eriste, mutta jolla oli suprajohteen sähköiset ominaisuudet. Siirtymää eristimen ja suprajohteen välillä ei koskaan harkittu ennen kuin nämä kokeet alkoivat.

Mielenkiintoinen asia Jahn-Teller-metalleissa on, että niistä tulee suprajohtimia korkeissa lämpötiloissa (-135 celsiusastetta, ei 243,2 astetta tavalliseen tapaan). Tämä tuo ne lähemmäksi massatuotannossa ja kokeilussa hyväksyttäviä tasoja. Jos kaikki vahvistetaan, olemme ehkä askeleen lähempänä toimivien suprajohteiden luomista huonelämpötila joka puolestaan mullistaa monia elämämme alueita.

Fotoninen aine

Monien vuosikymmenten ajan uskottiin, että fotonit ovat massattomia hiukkasia, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Silti viime vuosien aikana MIT:n ja Harvardin tutkijat ovat löytäneet uusia tapoja "varustaa" valoa massalla - ja jopa luoda "valomolekyylejä", jotka pomppaavat toisistaan ja sitoutuvat toisiinsa. Jotkut katsoivat, että tämä oli ensimmäinen askel kohti valomiekan luomista.

Fotonisen aineen tiede on hieman monimutkaisempi, mutta se on täysin mahdollista ymmärtää. Tutkijat alkoivat luoda fotonista ainetta kokeilemalla alijäähdytettyä rubidiumkaasua. Kun fotoni ampuu kaasun läpi, se heijastuu ja on vuorovaikutuksessa rubidiummolekyylien kanssa, menettäen energiaa ja hidastuen. Loppujen lopuksi fotoni poistuu pilvestä hyvin hitaasti.

Outoja asioita alkaa tapahtua, kun lähetät kaksi fotonia kaasun läpi, mikä saa aikaan Rydbergin saarrona tunnetun ilmiön. Kun atomi viritetään fotonilla, lähellä olevat atomit eivät voi virittyä samassa määrin. Herätetty atomi on fotonin reitillä. Jotta lähistöllä oleva atomi virittyisi toisella fotonilla, ensimmäisen fotonin on läpäistävä kaasu. Fotonit eivät normaalisti ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mutta kun ne kohtaavat Rydbergin saarron, ne työntävät toisiaan kaasun läpi vaihtaen energiaa ja vuorovaikutuksessa keskenään. Ulkopuolelta katsottuna fotoneilla näyttää olevan massa ja ne toimivat yhtenä molekyylinä, vaikka ne itse asiassa pysyvät massattomina. Kun fotonit tulevat ulos kaasusta, ne näyttävät sulautuvan yhteen, kuin valomolekyyli.

Fotonisen aineen käytännön soveltaminen on edelleen kyseenalaista, mutta se varmasti löytyy. Ehkä jopa valomiekkoja.

Häiriöitynyt hyperhomogeenisuus

Kun tutkijat yrittävät määrittää, onko aine uudessa tilassa, tutkijat tarkastelevat aineen rakennetta ja ominaisuuksia. Vuonna 2003 Salvatore Torquato ja Frank Stillinger Princetonin yliopistosta ehdottivat uutta aineen tilaa, joka tunnetaan nimellä epäjärjestynyt hyperhomogeenisuus. Vaikka tämä lause vaikuttaa oksymoronilta, se viittaa ytimeensä uudenlaiseen aineeseen, joka näyttää läheltä katsottuna epäjärjestyneeltä, mutta kaukaa katsottuna superhomogeeniselta ja rakenteeltaan. Tällaisella aineella on oltava kiteen ja nesteen ominaisuudet. Ensi silmäyksellä tätä on jo plasmassa ja nestemäisessä vedyssä, mutta viime aikoina tutkijat ovat löytäneet luonnollisen esimerkin, josta kukaan ei odottanut: kanan silmästä.

Kanan verkkokalvossa on viisi kartiota. Neljä tunnistaa väriä ja yksi vastaa valotasosta. Toisin kuin ihmissilmä tai hyönteisten kuusikulmainen silmät, nämä kartiot ovat kuitenkin hajallaan satunnaisesti ilman todellista järjestystä. Tämä johtuu siitä, että kanan silmässä olevien käpyjen ympärillä on vieraantumisvyöhykkeitä, jotka eivät salli kahden samantyyppisen käpyn olevan vierekkäin. Kartioiden poissulkemisvyöhykkeen ja muodon vuoksi ne eivät voi muodostaa järjestettyjä kiderakenteita (kuten kiinteissä aineissa), mutta kun kaikkia kartioita pidetään yhtenä, niillä näyttää olevan erittäin järjestynyt kuvio, kuten alla olevista Princeton-kuvista näkyy. . Voimme siis kuvailla näitä kanan silmän verkkokalvon kartioita nestemäisiksi läheltä katsottuna ja kiinteiksi kaukaa katsottuna. Tämä eroaa amorfisista kiinteistä aineista, joista puhuimme edellä, koska tämä ultrahomogeeninen materiaali toimii nesteenä ja amorfinen kiinteä- Ei.

Tiedemiehet tutkivat edelleen tätä uutta aineen tilaa, koska se voi myös olla yleisempää kuin alun perin uskottiin. Nyt Princetonin yliopiston tutkijat yrittävät mukauttaa tällaisia ultrahomogeenisiä materiaaleja luodakseen itseorganisoituvia rakenteita ja valonilmaisimia, jotka reagoivat valoon tietyllä aallonpituudella.

Merkkijonoverkot

Mikä aineen tila on avaruuden tyhjiö? Useimmat ihmiset eivät ajattele sitä, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana Xiao Gang-Wen Massachusetts Institute of Technologysta ja Michael Levin Harvardista ovat ehdottaneet uutta aineen tilaa, joka voisi johtaa meidät elektronin ulkopuolisten perushiukkasten löytämiseen. .

Polku merkkijonoverkkofluidimallin kehittämiseen alkoi 90-luvun puolivälissä, kun joukko tutkijoita ehdotti niin sanottuja kvasihiukkasia, jotka näyttivät ilmaantuneen kokeessa, kun elektronit kulkivat kahden puolijohteen välillä. Oli hämmennystä, kun kvasihiukkaset toimivat ikään kuin niillä olisi murtovaraus, mikä vaikutti mahdottomalta silloiselle fysiikalle. Tutkijat analysoivat tiedot ja ehdottivat, että elektroni ei ole universumin perushiukkanen ja että on olemassa perushiukkasia, joita emme ole vielä löytäneet. Tämä työ toi heidät Nobel palkinto, mutta myöhemmin kävi ilmi, että heidän työnsä tuloksiin hiipi virhe kokeessa. Tietoja kvasihiukkasista turvallisesti unohdettu.

Mutta eivät kaikki. Wen ja Levin ottivat perustana ajatuksen kvasihiukkasista ja ehdottivat uutta aineen tilaa, merkkijonoverkkotilaa. Tällaisen valtion pääominaisuus on kvanttikettuminen. Kuten häiriöttömän hyperhomogeenisuuden tapauksessa, jos tarkastellaan tarkasti merkkijonoverkoston ainetta, se näyttää epäjärjestyneeltä elektronien joukolta. Mutta jos tarkastelet sitä kokonaisena rakenteena, näet korkean järjestyksen elektronien kvanttisekoittuneiden ominaisuuksien vuoksi. Wen ja Levin laajensivat sitten työtään kattamaan muita kietoutumisen hiukkasia ja ominaisuuksia.

Ajettuaan tietokonemalleja aineen uudelle olomuodolle, Wen ja Levin havaitsivat, että merkkijonoverkkojen päät voivat tuottaa erilaisia subatomisia hiukkasia, mukaan lukien legendaariset "kvasihiukkaset". Vielä suurempi yllätys oli, että kun verkkoaine värähtelee, se tekee sen valosta vastaavien Maxwell-yhtälöiden mukaisesti. Wen ja Levin ehdottivat, että kosmos on täynnä kietoutuneiden subatomisten hiukkasten lankaverkkoja ja että näiden merkkijonoverkkojen päät edustavat havaitsemiamme subatomisia hiukkasia. He ehdottivat myös, että merkkijonoverkostoneste voi tarjota valon olemassaolon. Jos avaruuden tyhjiö on täytetty lankaverkkonesteellä, tämä voisi mahdollistaa valon ja aineen yhdistämisen.

Kaikki tämä saattaa tuntua hyvin kaukaa haetulta, mutta vuonna 1972 (vuosikymmeniä ennen lankaverkkoehdotuksia) geologit löysivät Chilestä oudon materiaalin – herbertsmitiittien. Tässä mineraalissa elektronit muodostavat kolmion muotoisia rakenteita, jotka näyttävät olevan ristiriidassa kaiken sen kanssa, mitä tiedämme elektronien vuorovaikutuksesta toistensa kanssa. Lisäksi merkkijonoverkkomalli ennusti tämän kolmion muotoisen rakenteen, ja tutkijat työskentelivät keinotekoisen herbertsmitiitin kanssa varmistaakseen mallin tarkasti.

Quark-gluon plasma

Kun puhutaan tämän luettelon viimeisestä aineen tilasta, harkitse tilaa, josta kaikki alkoi: kvarkkigluoniplasma. Varhaisessa universumissa aineen tila poikkesi merkittävästi klassisesta. Aluksi vähän taustaa.

Kvarkit ovat alkuainehiukkasia, joita löydämme hadronien (esimerkiksi protonien ja neutronien) sisältä. Hadronit koostuvat joko kolmesta kvarkista tai yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista. Kvarkeilla on murtovarauksia ja niitä pitävät yhdessä gluonit, jotka ovat voimakkaan ydinvoiman vaihtohiukkasia.

Emme näe vapaita kvarkeja luonnossa, vaan heti sen jälkeen alkuräjähdys millisekunnin vapaita kvarkkeja ja gluoneja oli olemassa. Tänä aikana universumin lämpötila oli niin korkea, että kvarkit ja gluonit liikkuivat lähes valon nopeudella. Tänä aikana maailmankaikkeus koostui kokonaan tästä kuumasta kvarkkigluoniplasmasta. Toisen sekunnin murto-osan jälkeen universumi on jäähtynyt tarpeeksi muodostaakseen raskaita hiukkasia, kuten hadroneja, ja kvarkit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa ja gluonien kanssa. Siitä hetkestä lähtien meille tunnettu maailmankaikkeuden muodostuminen alkoi, ja hadronit alkoivat sitoutua elektroneihin luoden primitiivisiä atomeja.

Jo nykyaikaisessa maailmankaikkeudessa tutkijat ovat yrittäneet luoda kvarkkigluoniplasman uudelleen suurissa hiukkaskiihdyttimissä. Näiden kokeiden aikana raskaat hiukkaset, kuten hadronit, törmäsivät toisiinsa luoden lämpötilan, jossa kvarkit erottuivat lyhyen aikaa. Näiden kokeiden aikana opimme paljon kvarkkigluoniplasman ominaisuuksista, jossa ei ollut lainkaan kitkaa ja joka oli enemmän nestettä kuin tavallista plasmaa. Kokeilut eksoottisella ainetilalla antavat meille mahdollisuuden oppia paljon siitä, miten ja miksi universumimme muodostui sellaisena kuin sen tunnemme.

15. marraskuuta 2017 Gennady

Suunnitelma:

1 Rydberg-atomien ominaisuudet
- 1.1 Rydberg-atomien dipolisulku
2 Tutkimussuunnat ja mahdolliset sovellukset

Johdanto

Rydbergin atomit(nimetty J. R. Rydbergin mukaan) - alkalimetalliatomit, joissa ulompi elektroni on erittäin virittyneessä tilassa (tasoihin asti n ~ 100). Atomin siirtämiseksi perustilasta viritettyyn tilaan se säteilytetään resonanssilaservalolla tai käynnistetään RF-purkaus. Rydberg-atomin koko on paljon suurempi kuin saman atomin koko perustilassa lähes 10 000 kertaa, kun n=100 (katso taulukko alla).

1. Rydberg-atomien ominaisuudet

Säteisellä kiertoradalla pyörivä elektroni r ytimen ympärillä Newtonin toisen lain mukaan se kokee voiman:

Missä k= 1/(4πε 0), e on elektronin varaus.

Kiertomomentti yksiköissä ħ vastaa:

Näistä kahdesta yhtälöstä saadaan lauseke elektronin kiertoradalle tilassa "n"

Kaavio rubidiumatomin laservirityksestä Rydbergin tilaan

Tällaisen vedyn kaltaisen atomin sitoutumisenergia on

missä Ry = 13,6 eV on Rydbergin vakio ja δ ydinvarausvika, joka on yleisesti n merkityksetön. Energia ero n-m ja n+1-th energiataso on suunnilleen yhtä suuri

Atomin tyypillinen koko rn ja tyypillinen puoliklassinen elektronin kierron jakso ovat yhtä suuret

Missä a B = 0,5×10 −10 m on Bohrin säde ja T 1 ~ 10 −16 s.

Verrataanpa joitain vetyatomin perus- ja Rydberg-tilojen lukuja.

1.1. Rydberg-atomien dipolisulku

Kun atomit viritetään perustilasta Rydberg-tilaan, tapahtuu mielenkiintoinen ilmiö, ns dipolin salpaus. Purkaneessa atomihöyryssä atomien välinen etäisyys perustilassa on suuri eikä atomien välillä ole käytännössä mitään vuorovaikutusta. Kuitenkin, kun atomit viritetään Rydbergin tilaan, niiden kiertoradan säde kasvaa n 2 ~1 µm asti. Tämän seurauksena atomit "lähestyvät", niiden välinen vuorovaikutus lisääntyy merkittävästi, mikä aiheuttaa muutoksen atomien tilojen energiassa. Mihin tämä johtaa? Oletetaan, että vain yksi atomi voidaan virittää perustilasta Rieberg-tilaan heikon valopulssin avulla. Yritys asuttaa sama taso toisella atomilla tulee ilmeisen mahdottomaksi "dipolisalkun" vuoksi.

2. Tutkimussuunnat ja mahdolliset sovellukset

Atomien Rydberg-tiloihin liittyvät tutkimukset voidaan jakaa ehdollisesti kahteen ryhmään: atomien itsensä tutkimiseen ja niiden ominaisuuksien käyttöön muihin tarkoituksiin.

Tutkimuksen perusalueet:

Useista osavaltioista, joissa on suuria n on mahdollista muodostaa aaltopaketti, joka on enemmän tai vähemmän paikallinen avaruuteen. Jos myös kiertoradan kvanttiluku on suuri, saadaan melkein klassinen kuva: paikallinen elektronipilvi pyörii ytimen ympärillä suurella etäisyydellä siitä.
Jos kiertoradan liikemäärä on pieni, niin tällaisen aaltopaketin liike on lähes yksiulotteinen: Elektronipilvi siirtyy pois ytimestä ja lähestyy sitä uudelleen. Tämä on analogi erittäin pitkänomaiselle elliptiselle kiertoradalle klassisessa mekaniikassa liikuttaessa Auringon ympäri.
Rydberg-elektronin käyttäytyminen ulkoisissa sähkö- ja magneettikentät. Tavalliset ytimen lähellä olevat elektronit tuntevat enimmäkseen ytimen voimakkaan sähköstaattisen kentän (suuruusluokkaa 10 9 V/cm), ja niiden ulkoiset kentät ovat vain pieniä lisäyksiä. Rydberg-elektroni tuntee ytimen voimakkaasti heikentyneen kentän ( E~E0/n4), ja siksi ulkoiset kentät voivat vääristää elektronin liikettä radikaalisti.
Atomilla, joissa on kaksi Rydberg-elektronia, on mielenkiintoisia ominaisuuksia, ja yksi elektroni "pyörii" ytimen ympäri kauempana kuin toinen. Tällaisia atomeja kutsutaan planetaarinen.
Yhden hypoteesin mukaan pallosalama koostuu Rydberg-aineesta.

Rydberg-atomien epätavalliset ominaisuudet ovat jo löytämässä sovellutuksia

Radiosäteilyn kvanttidetektorit: Rydberg-atomit voivat rekisteröidä jopa yhden fotonin radioalueella, mikä on paljon perinteisten antennien kykyjä enemmän.
Rydberg-elektronin porrastettu energiaspektri toimii "energiatasapainona", jota voidaan käyttää tarkkoihin energiamittauksiin.
Rydberg-atomeja havaitaan myös tähtienvälisessä väliaineessa. Ne ovat erittäin herkkiä paineantureita, jotka luonto itse on luonut meille.

Vuonna 2009 Stuttgartin yliopiston tutkijat onnistuivat saamaan Rydberg-molekyylin.

Huomautuksia

W. Demotroder Laserspektroskopia: peruskäsitteet ja instrumentointi. - Springer, 2009. - 924 s. - ISBN 354057171X
R. Heidemann et ai. (2007). "Todisteet yhtenäisestä kollektiivisesta Rydbergin kiihotuksesta vahvassa estojärjestelmässä - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601". Physical Review Letters 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.
Koheesio pallosalmassa - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru "Ensimmäistä kertaa maailmassa Rydberg-molekyyli on saatu" - www.membrana.ru/lenta/?9250

Strontium-84-atomien Bose-Einstein-kondensaatissa voi ilmaantua polaroneja, jotka ovat Rydberg-atomeja, joita ympäröi elastisten muodonmuutosten pilvi. Tämä vaikutus havaittiin käytännössä ja perusteltiin teoreettisesti Itävallan ja Yhdysvaltojen fyysikot. Artikkeli julkaistu v Physical Review Letters, työn esipainos on saatavilla osoitteessa arXiv.org.

Kun hidas elektroni liikkuu dielektrin läpi, se on vuorovaikutuksessa atomiensa kanssa ja muuttaa (polarisoi) hilan. Kun elektroni liikkuu, muodonmuutosalue siirtyy sen mukana, ja käy ilmi, että elektronia ympäröi jatkuvasti fononipilvi. Lisäksi käy ilmi, että tuloksena olevalla on neliöspektri, eli sillä on jonkin verran tehollista massaa (se on hieman suurempi kuin "tavallisen" elektroni-kvasihiukkasen massa). Tällaista kvasihiukkasta kutsutaan polaron. Tätä kvasihiukkasta ei pidä sekoittaa polariton jotka johtuvat fotonien vuorovaikutuksesta väliaineen alkeisviritteiden kanssa (fononit, eksitonit, plasmonit, magnonit ja niin edelleen).

Polaroneja ei esiinny vain dielektrikissä, vaan myös metalleissa, puolijohteissa, ionikiteissä ja jopa ferromagneeteissa (katso "Nagaoka-pussi"), eikä vain elektroni, vaan myös muu varautunut epähomogeenisuus voi toimia polaronin "ytimenä". Tietenkin polaronien ominaisuudet eri materiaaleissa ovat erilaisia. Polaroneilla on tärkeä rooli ionikiteiden ja polaaristen puolijohteiden johtavuuden, orgaanisten puolijohteiden spininsiirron ja kaksiulotteisten materiaalien optisen absorption selittämisessä.

Tässä artikkelissa Thomas Killianin johtama ryhmä raportoi spektroskooppisista havainnoista Rydbergin polaroneista strontium-84-atomeissa. Tällaisissa polaroneissa Rydberg-atomi toimii "ytimenä" - atomina, jossa elektroni on erittäin voimakkaasti virittynyt, eli se on tasolla, jolla on erittäin suuri pääkvanttiluvun arvo. . Tämän seurauksena atomin sisäosaa voidaan pitää tehokkaana hiukkasena, jolla on yksi positiivinen varaus ja suuri massa, ja kokonaisuutena atomi muistuttaa vahvasti tavallista vetyatomia.

Ensin tutkijat valmistivat Bose-kondensaatin vangitsemalla strontiumatomien pilven lasersäteillä (optinen dipoliloukku) ja jäähdyttämällä sen noin 150 nanokelviniin. Keskimääräinen etäisyys viereisten atomien välillä tällaisessa kondensaatissa oli noin 80 nanometriä. Sitten tutkijat ionisoivat atomit käyttämällä lyhyitä (mikrosekunnin luokkaa) lasersäteitä, joiden aallonpituus oli 689 ja 319 nanometriä. Tämän seurauksena yksi strontiumatomin ulkokuoren elektroneista siirtyi s-kiertoradat päällä s-kiertoradalla, ja sitten hyppäsi siihen s- korkeampi kiertorata n-th kuori. Lopuksi tutkijat mittasivat Bose-kondensaatin lineaarisen vasteen, eli havaitsivat, kuinka maan (virittymättömän) ja virittyneen tilan välisen siirtymän amplitudi riippuu virityksen taajuudesta. Tämän seurauksena tutkijat havaitsivat, että matalilla taajuuksilla vaste kasvaa Gaussin jakauman mukaisesti (kuvassa varjostetut alueet), ja kun maksimi saavutetaan, spektristä tulee lähes vakio.

Lineaarisen vasteen riippuvuus viritystaajuudesta pääkvanttiluvun eri arvoilla n Rydberg-atomi, joka muodostaa polaronin. Viivat näyttävät teoreettisesti lasketun riippuvuuden, pisteet osoittavat kokeelliset tiedot

F. Camargo et ai. / Phys. Rev. Lett.

Tiedemiehet tutkivat myös numeerisesti strontiumatomien kondensaattia selittääkseen polaronien esiintymisen. Todellakin, kirjoittamalla ja diagonalisoimalla Bose-kondensaattiin sijoitetun Rydberg-atomin Hamiltonin, voidaan saada polaronispektri (Fröhlich Hamiltonin). Tätä varten fyysikot käyttivät aiemmin kehitettyä lähestymistapaa, joka perustui funktionaalisten determinanttien laskemiseen (functional determinant approach, FDA). Teoreettisesti laskettu riippuvuus selitti hyvin kokeelliset tiedot ja sen Gaussin osa vastasi polaronien muodostumista.

Yleisesti ottaen fyysikot työskentelevät yleensä rubidium-87-atomien Bose-kondensaatin kanssa, ja aiemmin artikkelin kirjoittajat ovat jo yrittäneet erottaa siitä polaroneja. Kuitenkin elektronikuorten ominaisuuksien vuoksi ( -aaltomuotoresonanssi) rubidiumin Rydberg-atomien absorptiospektri riippuu voimakkaasti tasonumerosta n, jolla elektroni sijaitsee, ja tämä vaikeuttaa polaroneja vastaavien resonanssien tunnistamista kokeellisista tiedoista. Strontium-84-atomien kondensaatissa tällaisia ongelmia ei esiinny.

Viime vuoden lopulla sveitsiläiset fyysikot Institute of Quantum Electronicsista rubidium-87-atomien Bose-kondensaatiossa Higgsin ja Goldstonen värähtelytiloja, vaikka yleensä yksi näistä tiloista on tukahdutettu. Tätä varten he pitivät kondensaattia lasersäteiden avulla ja seurasivat siinä syntyviä viritteitä Bragg-spektroskopialla.

Dmitri Trunin