Ғалымдар материяның «фотоникалық молекула» деп аталатын жаңа түрін жасады! Ридберг мәлімдейді

Беттің ағымдағы нұсқасы әлі тексерілмеген

Беттің ағымдағы нұсқасын тәжірибелі мүшелер әлі қараған жоқ және 2018 жылдың 9 қарашасында қаралған нұсқадан айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін; тексеру қажет.

Ридберг атомдары(Дж. Р. Ридбергтің атымен аталған) – сутегі тәрізді атомдар және сілтілік металдар атомдары, олардың сыртқы электроны жоғары қозған күйде болады (деңгейге дейін). nшамамен 1000). Атомды негізгі күйден қозған күйге көшіру үшін ол резонанстық лазер сәулесімен сәулелендіріледі немесе РЖ разряды басталады. Ридберг атомының өлшемі негізгі күйдегі бір атомның өлшемінен шамамен 106 есе артық болуы мүмкін. n = 1000 (төмендегі кестені қараңыз).

Радиусы бар орбитада айналатын электрон rядроның айналасында Ньютонның екінші заңы бойынша ол күшті сезінеді

Осы екі теңдеуден күйдегі электронның орбиталық радиусының өрнекін аламыз n :

Қайда Ry = 13,6 эВРидберг тұрақтысы, ал δ – ядро зарядының кемістігі, жалпы алғанда nелеусіз. арасындағы энергия айырмашылығы n-м және ( n+1)-ші энергия деңгейлері тең

Атомның сипатты өлшемі rnжәне электронды айналымның типтік жартылай классикалық периоды тең

-дан өту кезінде сутегі атомының сәуле шығару толқын ұзындығы n′ = 91қосулы n = 90 3,4 см-ге тең.

Атомдар негізгі күйден Ридберг күйіне қозғалғанда «дипольдік блокада» деп аталатын қызықты құбылыс пайда болады.

Ридберг атомдарының дипольді блокадасын лазерлік сәулемен когерентті бақылау оларды кванттық компьютерді практикалық іске асыру үшін перспективалы үміткер етеді. Ғылыми баспасөздің хабарлауынша, 2009 жылға дейін есептеулер үшін маңызды екі кубиттік қақпа элементі эксперименталды түрде жүзеге асырылмаған. Дегенмен, екі атом арасындағы және мезоскопиялық үлгілерде ұжымдық қозуды және динамикалық әрекеттесуді бақылау туралы есептер бар.

Күшті өзара әрекеттесетін Ридберг атомдары негізгі қамтамасыз ететін кванттық критикалық мінез-құлықпен сипатталады ғылыми қызығушылықөтінішіне қарамастан оларға.

Атомдардың Ридберг күйлеріне байланысты зерттеулерді шартты түрде екі топқа бөлуге болады: атомдардың өзін зерттеу және олардың қасиеттерін басқа мақсаттарда пайдалану.

2009 жылы зерттеушілер Ридберг молекуласын ала алды (ағылшын) .

Радиоастрономиядағы Ридберг атомдары туралы алғашқы тәжірибелік мәліметтерді 1964 жылы Р.С.Сороченко және басқалары (FIAN) сантиметрлік жиілік диапазонында ғарыш объектілерінің сәулеленуін зерттеуге арналған 22 метрлік айна радиотелескопта алды. Телескопты Омега тұмандығына фокустау кезінде осы тұмандықтан шығатын радио сәулелену спектрінде λ ≃ 3,4 см толқын ұзындығында сәуле шығару сызығы анықталды. Бұл толқын ұзындығы Ридберг күйлері арасындағы ауысуға сәйкес келеді n′ = 91Және n = 90 сутегі атомының спектрінде

Физиктер Михаил Лукин мен Владан Вулетич фотондар молекуладағы бөлшектер сияқты әрекеттесетін эксперимент жүргізді. Осы уақытқа дейін бұл тек теориялық тұрғыдан мүмкін деп саналды.

Михаил Лукин (Гарвард) және Владан Вулетич (MIT) молекуланың бір түрін байланыстыру және қалыптастыру үшін фотондарды ала алды. Заттың жаңа күйі эксперименталды түрде алынды, оның өмір сүру мүмкіндігі бұрын тек теориялық тұрғыдан қарастырылған. Олардың жұмысы журналда сипатталған Табиғат 25 қыркүйекте.

Бұл жаңалық, дейді Лукин, жарықтың табиғаты туралы ондаған жылдар бойы жинақталған идеяларға қайшы келеді. Фотондар дәстүрлі түрде массасы жоқ және бір-бірімен әрекеттеспейтін бөлшектер ретінде сипатталады: егер екі лазер сәулесі бір-біріне тікелей түсірілсе, олар жай ғана бір-бірінен өтеді.

«Жарықтың белгілі қасиеттерінің көпшілігі фотондардың массасы жоқ және бір-бірімен әрекеттеспейтіндігімен байланысты», - дейді Лукин. «Бірақ біз фотондардың өзара әрекеттесуі соншалықты, олар массасы бар сияқты әрекет ете бастайтын және молекулалар құру үшін бір-бірімен байланысатын ортаның ерекше түрін жасай алдық. Фотондардың байланысқан күйінің бұл түрі теориялық тұрғыдан ұзақ уақыт бойы талқыланды, бірақ әлі күнге дейін оны байқау мүмкін болмады».

Лукиннің айтуынша, ғарыштық фэнтези жазушылары соншалықты жақсы көретін шамшырақтың ұқсастығы үлкен созылу болмайды. Мұндай фотондар өзара әрекеттескенде, олар бір-бірін итеріп, жағына ауытқиды. Молекулалармен дәл осы сәтте болып жатқан нәрсе фильмдегі шамдар шайқасы сияқты.

Әдетте массасы жоқ фотондарды бір-бірімен байланыстыру үшін Лукин мен әріптестері (Гарвардтан Офер Фистерберг пен Алексей Горшков және Массачусетс штатынан Тибо Пейронель және Ци Лян) олар үшін құрылды. экстремалды жағдайлар. Зерттеушілер рубидий атомдарын вакуумдық камераға айдады, содан кейін лазердің көмегімен атом бұлтын абсолютті нөлге дейін салқындатты. Өте әлсіз лазерлік импульстердің көмегімен олар бұлтқа бір фотонды түсірді.
Лукин былай дейді: «Фотон суық атомдар бұлтына енген кезде, оның энергиясы «жолда кездескен» атомдарды қозу күйіне әкеледі, бұл фотонның қозғалысын күрт бәсеңдетеді. Бұлт арқылы қозғалған кезде оның энергиясы атомнан атомға өтеді және ақырында фотонмен бірге бұлттан шығады. Фотон осы ортадан шыққан кезде оның сәйкестігі сақталады. Бұл бір стақан суда жарық сынған кезде біз байқайтын әсер. Жарық суға еніп, энергиясының бір бөлігін қоршаған ортаға береді және оның ішінде жарық пен зат ретінде бір уақытта болады. Бірақ ол судан шыққанда, ол әлі де жеңіл. Фотондармен экспериментте шамамен бірдей нәрсе болады, тек көбірек жоғары дәреже: жарық айтарлықтай баяулайды және сынумен салыстырғанда ортаға көбірек энергия береді.

Лукин мен әріптестері бұлтқа екі фотонды түсіру арқылы олардың бір молекула ретінде бірге шыққанын анықтады.
«Бұл әсер Ридберг блокадасы деп аталады», - деп түсіндіреді Лукин. - Бұл атом қозған күйде болғанда, оған ең жақын атомдар бірдей дәрежеде қозу мүмкін еместігінде. Іс жүзінде бұл екі фотон атомдық бұлтқа енгенде, біріншісі бір атомды қоздырады, бірақ екінші фотон көрші фотонды қоздырмас бұрын алға жылжу керек дегенді білдіреді. Нәтижесінде екі фотонның энергиясы атомнан атомға өткенде олар бір-бірін атом бұлты арқылы тартып, итеріп жіберетін сияқты. Фотондық әрекеттесу атомдық әрекеттесу арқылы жүзеге асады. Бұл екі фотонды молекула сияқты әрекет етеді және олар ортаны бір фотон ретінде қалдырады.

Бұл әдеттен тыс әсердің бірқатар практикалық қолданбалары бар.

Лукин: «Біз мұны өз рахатымыз үшін және білімнің шекарасын ұлғайту үшін жасаймыз», - дейді. «Бірақ біздің нәтижелеріміз үлкен суретке жақсы сәйкес келеді, өйткені фотондар бүгінде кванттық ақпаратты тасымалдаудың ең жақсы құралы болып қала береді. Осы уақытқа дейін оларды осы қызметте пайдаланудағы басты кедергі олардың арасындағы өзара әрекеттестіктің болмауы болды».

Кванттық компьютерді жасау үшін кванттық ақпаратты сақтай алатын және кванттық логикалық операторлардың көмегімен өңдеуге болатын жүйені жасау керек. Мұндағы басты қиындық мынада: кванттық логика бір кванттар арасындағы өзара әрекеттесуді талап етеді, содан кейін жүйе ақпаратты өңдеу үшін «қосуға» болады.

«Біз бұл мүмкін екенін көрсете алдық», - дейді Лукин. - Бірақ біз алғанға дейінжұмыс істейтін кванттық қосқыш немесе фотоникалық логиканы жасау, бізде әлі процестің тиімділігін арттыру керек; енді бұл іргелі идеяны көрсететін үлгі. Бірақ бұл үлкен қадамды білдіреді: бұл жұмыста бекітілген физикалық принциптер өте маңызды ».

Зерттеушілер көрсеткен жүйе классикалық есептеулерде де пайдалы болуы мүмкін, мұнда әртүрлі ақпарат құралдарының қажеттілігі үнемі өсіп келеді. Кейбір компаниялар, соның ішінде IBM, жарық сигналдарын электрлік сигналдарға түрлендіруге болатын оптикалық маршрутизаторларға негізделген жүйелерде жұмыс істейді, бірақ бұл жүйелерде де шектеулер бар.

Лукин сонымен қатар оның тобы әзірлеген жүйені бір күні жарықтан үш өлшемді кристалл тәрізді құрылымдарды жасау үшін пайдалануға болатынын айтты.
«Біз оларды қалай қолдануға болатынын әлі білмейміз, - деді ол, - бірақ бұл материяның жаңа күйі; фотондық молекулалардың қасиеттерін зерттеуді жалғастыра отырып, практикалық мағына пайда болады деп үміттенеміз.

Материалдарға негізделген:

Офер Фирстенберг, Тибо Пейронель, Ци-Ю Лян, Алексей В.Горшков, Михаил Д.Лукин, Владан Вулетич.

Көптеген адамдар материяның үш классикалық күйін оңай атайды: сұйық, қатты және газ тәрізді. Біраз ғылым білетіндер осы үшеуіне плазма қосады. Бірақ уақыт өте ғалымдар материяның осы төртеуінен тыс болуы мүмкін күйлерінің тізімін кеңейтті.

аморфты және қатты

Аморфты қатты денелер белгілі қатты күйдің өте қызықты жиыны болып табылады. Әдеттегі қатты затта молекулалар жақсы ұйымдастырылған және қозғалуға көп орын жоқ. Бұл қатты затқа жоғары тұтқырлықты береді, бұл ағынға қарсылық өлшемі. Сұйықтықтар, керісінше, олардың ағып кетуіне, таралуына, пішінін өзгертуіне және олар орналасқан ыдыстың пішінін алуға мүмкіндік беретін ұйымдастырылмаған молекулалық құрылымға ие. Аморфты қатты денелер осы екі күйдің арасында орналасқан. Шыныдан тазарту процесінде сұйықтықтар суытады және олардың тұтқырлығы зат сұйықтық сияқты ағып кетпей, бірақ оның молекулалары ретсіз болып қалады және қарапайым қатты заттар сияқты кристалдық құрылымды алмайды.

Аморфты қатты дененің ең көп тараған мысалы - шыны. Мыңдаған жылдар бойы адамдар кремний диоксидінен шыны жасайды. Шыны жасаушылар кремнеземді сұйық күйінен суытқанда, ол балқу температурасынан төмен түскенде шын мәнінде қатып қалмайды. Температура төмендеген сайын тұтқырлық жоғарылайды және зат қаттырақ болып көрінеді. Дегенмен, оның молекулалары әлі де ретсіз болып қала береді. Содан кейін әйнек бір уақытта аморфты және қатты болады. Бұл өтпелі процесс қолөнершілерге әдемі және сюрреальды шыны құрылымдарын жасауға мүмкіндік берді.

Аморфты қатты денелердің әдеттегі қатты күйден функционалдық айырмашылығы неде? IN Күнделікті өмірбұл өте байқалмайды. Шыны молекулярлық деңгейде зерттемейінше, мінсіз қатты болып көрінеді. Ал шыны уақыт өте келе ағып кетеді деген миф бір тиынға тұрмайды. Көбінесе бұл миф шіркеулердегі ескі әйнек төменгі бөлікте қалыңырақ болып көрінетіндігі туралы дәлелдермен расталады, бірақ бұл осы көзілдірікті жасау кезінде шыны үрлеу процесінің жетілмегендігіне байланысты. Дегенмен, шыны сияқты аморфты қатты заттарды зерттеу қызықты ғылыми нүктефазалық ауысуларды және молекулалық құрылымды зерттеуге арналған көзқарас.

Суперкритикалық сұйықтықтар (сұйықтар)

Көптеген фазалық ауысулар белгілі бір температура мен қысымда болады. Температураның жоғарылауы сұйықтықтың газға айналатыны белгілі. Алайда, қысым температураға байланысты жоғарылағанда, сұйықтық газдың да, сұйықтың да қасиеттеріне ие суперкритикалық сұйықтықтар аймағына секіреді. Мысалы, суперкритикалық сұйықтықтар қатты денелер арқылы газ түрінде өте алады, бірақ сұйық ретінде еріткіш ретінде де әрекет ете алады. Бір қызығы, қысым мен температураның үйлесіміне байланысты суперкритикалық сұйықтықты газ немесе сұйықтық сияқты жасауға болады. Бұл ғалымдарға суперкритикалық сұйықтықтарды қолданудың көптеген жолдарын табуға мүмкіндік берді.

Аса критикалық сұйықтықтар аморфты қатты заттар сияқты кең таралған болмаса да, сіз олармен шыны сияқты жиі әрекеттесетін шығарсыз. Асқын критикалық көмірқышқыл газын сыра қайнату компаниялары құлмақпен әрекеттескенде еріткіш ретінде әрекет ету қабілеті үшін жақсы көреді, ал кофе компаниялары оны кофеинсіз кофені жақсырақ өндіру үшін пайдаланады. Аса критикалық сұйықтықтар тиімдірек гидролиз және электр станцияларының жоғары температурада жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін де қолданылған. Жалпы, сіз күн сайын суперкритикалық сұйықтықтың жанама өнімдерін пайдаланасыз.

дегенеративті газ

Аморфты қатты заттар кем дегенде Жер планетасында табылғанымен, бұзылған заттар жұлдыздардың белгілі бір түрлерінде ғана кездеседі. Заттың сыртқы қысымы жердегідей температурамен емес, күрделі кванттық принциптермен, атап айтқанда, Паули принципімен анықталса, бұзылған газ бар. Осыған байланысты азғындалған заттың сыртқы қысымы зат температурасы абсолютті нөлге дейін төмендесе де сақталады. Деградацияға ұшыраған заттардың екі негізгі түрі белгілі: электронды-дегенерацияланған және нейтронды-дегенерацияланған заттар.

Электрондық тозған зат негізінен ақ ергежейлілерде болады. Ол жұлдыздың ядросында ядроның айналасындағы зат массасы ядроның электрондарын төменгі энергетикалық күйге дейін қысуға тырысқанда пайда болады. Бірақ Паули принципі бойынша екі бірдей бөлшек бір энергетикалық күйде бола алмайды. Осылайша, бөлшектер ядроның айналасындағы заттарды «итереді», қысым жасайды. Бұл жұлдыздың массасы 1,44 күн массасынан аз болған жағдайда ғана мүмкін болады. Жұлдыз бұл шектен асқанда (Чандрасекхар шегі деп аталады), ол жай ғана нейтрондық жұлдызға немесе қара тесікке құлайды.

Жұлдыз құлап, айналатын кезде нейтрондық жұлдыз, оның енді электронды-ыдыраған заты жоқ, ол нейтронды-ыдыраған заттан тұрады. Нейтрондық жұлдыз ауыр болғандықтан, электрондар ядродағы протондармен қосылып, нейтрондар түзеді. Бос нейтрондар (нейтрондар байланыспайды атом ядросы) жартылай шығарылу кезеңі 10,3 минут. Бірақ нейтрондық жұлдыздың ядросында жұлдыздың массасы нейтрондардың өзектерден тыс өмір сүруіне мүмкіндік береді, нейтронды ыдырататын материяны құрайды.

Бұзылған материяның басқа экзотикалық формалары да болуы мүмкін, соның ішінде жұлдыздардың сирек түрінде болуы мүмкін оғаш материя, кварк жұлдыздары. Кварк жұлдыздары - нейтрондық жұлдыз мен қара тесік арасындағы кезең, онда ядродағы кварктар байланыссыз және бос кварктардың сорпасын құрайды. Біз бұл жұлдыз түрін әлі байқаған жоқпыз, бірақ физиктер олардың бар екенін мойындайды.

Артық сұйықтық

Асқын сұйықтықтарды талқылау үшін Жерге оралайық. Асқын сұйықтық - абсолютті нөлге дейін салқындаған гелий, рубидий және литийдің белгілі изотоптарында болатын заттың күйі. Бұл күй Бозе-Эйнштейн конденсатына ұқсайды (Бозе-Эйнштейн конденсаты, БЭК), бірнеше айырмашылықтары бар. Кейбір БЭК суперсұйықтық, ал кейбір артық сұйықтықтар БЭК, бірақ бәрі бірдей емес.

Сұйық гелий өзінің артық сұйықтығымен танымал. Гелийді -270 градус Цельсий «лямбда нүктесіне» дейін салқындатқанда, сұйықтықтың бір бөлігі артық сұйықтыққа айналады. Салқын болса көпшілігізаттар белгілі бір нүктеге дейін атомдар арасындағы тартылыс заттағы жылу тербелістерін жеңіп, олардың қатты құрылым түзуіне мүмкіндік береді. Бірақ гелий атомдары бір-бірімен өте әлсіз әрекеттеседі, олар абсолютті нөлге жуық температурада сұйық болып қала алады. Бұл температурада жеке атомдардың сипаттамалары қабаттасып, артық сұйықтықтың оғаш қасиеттерін тудырады екен.

Асқын сұйықтықтардың өзіндік тұтқырлығы болмайды. Пробиркаға салынған асқын сұйық заттар пробирканың бүйірлерінен жоғары көтеріле бастайды, бұл ауырлық және беттік керілу заңдарын бұзатын сияқты. Сұйық гелий оңай ағып кетеді, өйткені ол тіпті микроскопиялық тесіктерден өтіп кете алады. Асқын сұйықтықтың да біртүрлі термодинамикалық қасиеттері бар. Бұл күйде заттар нөлдік термодинамикалық энтропияға және шексіз жылу өткізгіштікке ие. Бұл екі артық сұйықтықты термиялық тұрғыдан ажырата алмайтынын білдіреді. Егер артық сұйық затқа жылу қосылса, ол оны тез өткізетіні сонша, қарапайым сұйықтықтарға тән емес жылу толқындары пайда болады.

Бозе-Эйнштейн конденсаты

Бозе-Эйнштейн конденсаты материяның ең танымал көмескі формаларының бірі болуы мүмкін. Алдымен бозондар мен фермиондардың не екенін түсінуіміз керек. Фермион – жартылай бүтін спинді бөлшек (электрон сияқты) немесе құрама бөлшек (протон сияқты). Бұл бөлшектер Паули принципіне бағынады, бұл электронды-дегенерацияланған заттың болуына мүмкіндік береді. Бозонның толық бүтін спині бар және бірнеше бозондар бір кванттық күйде болуы мүмкін. Бозондарға кез келген күш тасымалдаушы бөлшектер (мысалы, фотондар), сондай-ақ кейбір атомдар, соның ішінде гелий-4 және басқа газдар жатады. Бұл категориядағы элементтер бозондық атомдар ретінде белгілі.

1920 жылдары Альберт Эйнштейн материяның жаңа формасын ұсыну үшін үнді физигі Сатиендра Нат Бозенің жұмысын негізге алды. Эйнштейннің бастапқы теориясы, егер сіз белгілі бір элементтік газдарды абсолютті нөлден жоғары дәрежеге дейін салқындатсаңыз, олардың толқындық функциялары біріктіріліп, бір «суператомды» жасайды. Мұндай зат макроскопиялық деңгейде кванттық әсерлер көрсетеді. Бірақ элементтерді осы температураға дейін салқындату үшін қажет технология 1990 жылдарға дейін ғана пайда болды. 1995 жылы ғалымдар Эрик Корнелл мен Карл Виман 2000 атомды микроскоппен көруге болатындай үлкен Бозе-Эйнштейн конденсатына біріктіре алды.

Бозе-Эйнштейн конденсаттары асқын сұйықтықтармен тығыз байланысты, бірақ сонымен бірге өзіндік ерекше қасиеттері бар. БЭК жарықтың қалыпты жылдамдығын бәсеңдете алатыны да күлкілі. 1998 жылы Гарвард ғалымы Лен Хоу сигара тәрізді BEC үлгісі арқылы лазерді өткізу арқылы жарықты сағатына 60 шақырымға дейін баяулатты. Кейінгі эксперименттерде Хоу тобы жарық үлгі арқылы өткен кезде лазерді өшіру арқылы BEC-тегі жарықты толығымен тоқтата алды. Бұл эксперименттер жарық пен кванттық есептеулерге негізделген жаңа байланыс өрісін ашты.

Ян-Теллер металдары

Джан-Теллер металдары материялық күйлер әлеміндегі ең жаңа нәресте болып табылады, өйткені ғалымдар оларды алғаш рет 2015 жылы сәтті жасай алды. Тәжірибелер басқа зертханалармен расталса, бұл металдар әлемді өзгертуі мүмкін, өйткені олар оқшаулағыштың да, асқын өткізгіштің де қасиеттеріне ие.

Химик Космас Прассидс бастаған ғалымдар рубидийді көміртегі-60 молекулаларының (әдетте фуллерендер деп аталады) құрылымына енгізу арқылы тәжірибе жасады, бұл фуллерендердің жаңа пішінге ие болуына әкелді. Бұл металл қысымның жаңа электрондық конфигурациялардағы молекулалардың геометриялық пішінін қалай өзгерте алатынын сипаттайтын Джан-Теллер эффектісімен аталды. Химияда қысымға бір нәрсені сығу арқылы ғана емес, сонымен бірге бұрыннан бар құрылымға жаңа атомдар немесе молекулалар қосу, оның негізгі қасиеттерін өзгерту арқылы қол жеткізіледі.

Прассидтің зерттеу тобы көміртегі-60 молекулаларына рубидий қоса бастағанда, көміртегі молекулалары изоляторлардан жартылай өткізгіштерге ауысты. Дегенмен, Джан-Теллер эффектісіне байланысты молекулалар ескі конфигурацияда қалуға тырысты, ол оқшаулағыш болуға тырысқан, бірақ асқын өткізгіштің электрлік қасиеттеріне ие затты жасады. Бұл эксперименттер басталғанға дейін оқшаулағыш пен асқын өткізгіш арасындағы ауысу ешқашан қарастырылмады.

Джан-Теллер металдарының бір қызығы, олар жоғары температурада (әдеттегідей 243,2 градус емес, -135 градус Цельсий) асқын өткізгіштерге айналады. Бұл оларды жаппай өндіріс пен эксперимент үшін қолайлы деңгейлерге жақындатады. Егер бәрі расталса, біз жұмыс істейтін суперөткізгіштерді жасауға бір қадам жақын болармыз бөлме температурасыбұл өз кезегінде өміріміздің көптеген салаларында төңкеріс жасайды.

Фотонды зат

Көптеген ондаған жылдар бойы фотондар бір-бірімен әрекеттеспейтін массасы жоқ бөлшектер деп есептелді. Дегенмен, соңғы бірнеше жылда MIT және Гарвард ғалымдары жарыққа массаны «берудің» жаңа әдістерін тапты, тіпті бір-бірінен секіретін және біріктіретін «жарық молекулаларын» жасау. Кейбіреулер мұны жарық қылыш жасау жолындағы алғашқы қадам деп есептеді.

Фотондық материя туралы ғылым сәл күрделірек, бірақ оны түсінуге әбден болады. Ғалымдар қатты салқындатылған рубидий газымен тәжірибе жасау арқылы фотонды заттарды жасауға кірісті. Фотон газ арқылы атқылағанда, ол шағылысады және рубидий молекулаларымен әрекеттеседі, энергияны жоғалтады және баяулайды. Өйткені, фотон бұлттан өте баяу шығады.

Газ арқылы екі фотонды жіберген кезде таңқаларлық нәрселер басталады, бұл Ридберг блокадасы деп аталатын құбылысты тудырады. Атом фотонмен қоздырылғанда, жақын орналасқан атомдар бірдей дәрежеде қозу мүмкін емес. Қозған атом фотонның жолында болады. Жақын жерде тұрған атом екінші фотонмен қозуы үшін бірінші фотон газ арқылы өтуі керек. Фотондар әдетте бір-бірімен әрекеттеспейді, бірақ олар Ридберг блокадасына тап болған кезде олар бір-бірін газ арқылы итеріп, энергиямен алмасады және өзара әрекеттеседі. Сырттай қарағанда, фотондар массасы бар және бір молекула ретінде әрекет етеді, бірақ олар шын мәнінде массасыз болып қалады. Фотондар газдан шыққанда, олар жарық молекуласы сияқты біріктірілгендей болады.

Фотондық материяның практикалық қолданылуы әлі де сұрақ болып табылады, бірақ ол сөзсіз табылады. Мүмкін, тіпті шамдар.

Гипергомогенділіктің бұзылуы

Заттың жаңа күйде екенін анықтауға тырысқанда, ғалымдар заттың құрылымына, сондай-ақ оның қасиеттеріне қарайды. 2003 жылы Принстон университетінен Сальваторе Торкуато мен Фрэнк Стиллингер ретсіз гипергомогендік деп аталатын материяның жаңа күйін ұсынды. Бұл фраза оксиморон сияқты көрінгенімен, оның негізінде ол жақыннан ретсіз болып көрінетін, бірақ алыстан біртекті және құрылымды болып көрінетін материяның жаңа түрін болжайды. Мұндай заттың кристалдық және сұйық қасиеттері болуы керек. Бір қарағанда, бұл плазмада және сұйық сутегіде бар, бірақ жақында ғалымдар ешкім күтпеген табиғи мысалды тапты: тауықтың көзінде.

Тауықтың тор қабығында бес конус бар. Төртеуі түсті анықтайды, ал біреуі жарық деңгейіне жауап береді. Дегенмен, адамның көзінен немесе жәндіктердің алтыбұрышты көздерінен айырмашылығы, бұл конустар нақты тәртіпсіз, кездейсоқ шашыраңқы. Өйткені тауықтың көзіндегі конустардың айналасында иеліктен шығару аймақтары бар, олар бір типті екі конустың қатар тұруына мүмкіндік бермейді. Шектеу аймағына және конустардың пішініне байланысты олар реттелген кристалдық құрылымдарды құра алмайды (қатты денелердегі сияқты), бірақ барлық конустар бір деп есептелетін болса, олар төмендегі Принстон суреттерінде көрсетілгендей жоғары реттелген үлгіге ие болып көрінеді. . Осылайша, тауық көзінің торлы қабығындағы бұл конустарды жақыннан қарағанда сұйық, ал алыстан қарағанда қатты деп сипаттай аламыз. Бұл біз жоғарыда айтқан аморфты қатты заттардан ерекшеленеді, өйткені бұл ультра біртекті материал сұйықтық ретінде әрекет етеді, ал аморфты қатты- Жоқ.

Ғалымдар материяның бұл жаңа күйін әлі де зерттеп жатыр, өйткені ол бастапқыда ойлағаннан да жиірек болуы мүмкін. Қазір Принстон университетінің ғалымдары белгілі бір толқын ұзындығымен жарыққа жауап беретін өздігінен реттелетін құрылымдар мен жарық детекторларын жасау үшін осындай ультра біртекті материалдарды бейімдеуге тырысуда.

Жолдық желілер

Кеңістік вакуумы материяның қандай күйі? Көптеген адамдар бұл туралы ойламайды, бірақ соңғы он жылда Массачусетс технологиялық институтының қызметкері Сяо Ган-Вэн және Гарвардтан Майкл Левин бізді электроннан тыс іргелі бөлшектерді ашуға әкелетін жаңа күйді ұсынды. .

Тізбекті сұйықтық моделін жасау жолы 90-шы жылдардың ортасында, ғалымдар тобы екі жартылай өткізгіш арасында электрондар өткен кезде экспериментте пайда болған квазибөлшектерді ұсынған кезде басталды. Квазибөлшектердің бөлшек заряды бар сияқты әрекет етуіне байланысты толқу болды, бұл сол кездегі физика үшін мүмкін емес болып көрінді. Ғалымдар деректерді талдап, электронның ғаламның іргелі бөлшегі емес екенін және біз әлі ашпаған іргелі бөлшектердің бар екенін айтты. Бұл жұмыс оларды әкелді Нобель сыйлығы, бірақ кейінірек эксперименттегі қате олардың жұмысының нәтижесіне енгені белгілі болды. Қауіпсіз ұмытылған квазибөлшектер туралы.

Бірақ бәрі емес. Вэн мен Левин квазибөлшектердің идеясын негізге алып, материяның жаңа күйін, жолдық желі күйін ұсынды. Мұндай мемлекеттің басты меншігі болып табылады кванттық түйісу. Ретсіз гипергомогендік сияқты, егер сіз жолдық-желілік материяға мұқият қарасаңыз, ол электрондардың ретсіз жиынтығы сияқты көрінеді. Бірақ егер сіз оны тұтас құрылым ретінде қарастырсаңыз, электрондардың кванттық шиеленіс қасиеттеріне байланысты жоғары тәртіпті көресіз. Содан кейін Вэн мен Левин басқа бөлшектер мен түйісу қасиеттерін қамту үшін жұмыстарын кеңейтті.

Заттың жаңа күйі үшін компьютерлік модельдерді іске қосқаннан кейін Вэн мен Левин жолдық желілердің ұштары аңызға айналған «квазибөлшектерді» қоса алғанда, әртүрлі субатомдық бөлшектерді шығара алатынын анықтады. Одан да үлкен таң қалдыратын нәрсе, желілік зат дірілдегенде, ол мұны жарыққа жауап беретін Максвелл теңдеулеріне сәйкес жасайды. Вэнь мен Левин ғарыш түйіскен субатомдық бөлшектердің жіпті желілерімен толтырылғанын және бұл жолдық желілердің ұштары біз бақылайтын субатомдық бөлшектерді білдіреді деп ұсынды. Олар сонымен қатар желілік сұйықтық жарықтың болуын қамтамасыз ете алады деп ұсынды. Егер кеңістіктегі вакуум желілік сұйықтықпен толтырылса, бұл бізге жарық пен затты біріктіруге мүмкіндік береді.

Мұның бәрі өте қисынсыз болып көрінуі мүмкін, бірақ 1972 жылы геологтар Чилиде біртүрлі материалды тапты - гербертсмитит. Бұл минералда электрондар үшбұрышты құрылымдарды құрайды, олар электрондардың бір-бірімен қалай әрекеттесетіні туралы біз білетін барлық нәрсеге қайшы келетін сияқты. Сонымен қатар, бұл үшбұрышты құрылым жол-желі моделі арқылы болжанған және модельді дәл растау үшін ғалымдар жасанды герберцмититпен жұмыс істеген.

Кварк-глюон плазмасы

Осы тізімдегі заттың соңғы күйі туралы айтатын болсақ, оның барлығын бастаған күйді қарастырайық: кварк-глюон плазмасы. Ертедегі Әлемде материяның күйі классикалық күйден айтарлықтай ерекшеленді. Бастау үшін, кішкене фон.

Кварктар элементар бөлшектер, біз адрондардың ішінде табамыз (мысалы, протондар мен нейтрондар). Адрондар үш кварктан немесе бір кварк пен бір антикварктан тұрады. Кварктардың бөлшек зарядтары бар және олар күшті ядролық күштің алмасу бөлшектері болып табылатын глюондармен бірге ұсталады.

Біз табиғатта бос кварктарды көрмейміз, бірақ бірден кейін үлкен жарылысмиллисекунд бойы бос кварктар мен глюондар болды. Осы уақыт ішінде ғаламның температурасы соншалықты жоғары болды, сондықтан кварктар мен глюондар жарық жылдамдығымен дерлік қозғалды. Бұл кезеңде ғалам толығымен осы ыстық кварк-глюон плазмасынан тұрды. Секундтың тағы бір бөлігінен кейін Ғалам адрондар сияқты ауыр бөлшектер түзетіндей салқындап, кварктар бір-бірімен және глюондармен әрекеттесе бастайды. Осы сәттен бастап бізге белгілі Ғаламның пайда болуы басталды және адрондар электрондармен байланысып, қарапайым атомдарды құрады.

Қазіргі әлемде ғалымдар үлкен бөлшектердің үдеткіштерінде кварк-глюон плазмасын қайта құруға тырысты. Бұл тәжірибелер кезінде адрондар сияқты ауыр бөлшектер бір-бірімен соқтығысып, кварктардың қысқа уақытқа бөлінетін температурасын тудырды. Осы тәжірибелер барысында біз үйкеліс мүлде болмаған және кәдімгі плазмадан гөрі сұйықтыққа көбірек ұқсайтын кварк-глюон плазмасының қасиеттері туралы көп нәрсені білдік. Материяның экзотикалық күйі бар эксперименттер біздің ғаламның қалай және неліктен пайда болғаны туралы көп нәрсені білуге мүмкіндік береді.

2017 жылғы 15 қараша Геннадий

Жоспар:

1 Ридберг атомдарының қасиеттері
- 1.1 Ридберг атомдарының дипольдік блокадасы
2 Зерттеу бағыттары және мүмкін қолданулар

Кіріспе

Ридберг атомдары(Дж. Р. Ридберг атымен аталған) – сыртқы электроны жоғары қоздырылған күйде (деңгейге дейін) болатын сілтілі металл атомдары n ~ 100). Атомды негізгі күйден қозған күйге көшіру үшін ол резонанстық лазер сәулесімен сәулелендіріледі немесе РЖ разряды басталады. Ридберг атомының өлшемі негізгі күйдегі бір атомның өлшемінен n=100 үшін 10 000 есе дерлік үлкен (төмендегі кестені қараңыз).

1. Ридберг атомдарының қасиеттері

Радиусы бар орбитада айналатын электрон rНьютонның екінші заңына сәйкес ядроның айналасында ол күшті әсер етеді:

Қайда к= 1/(4πε 0), eэлектронның заряды болып табылады.

Орбиталық момент бірліктерде ħ тең:

Осы екі теңдеуден «n» күйіндегі электронның орбиталь радиусының өрнегін аламыз.

Рубидий атомының Ридберг күйіне лазерлік қозу схемасы

Мұндай сутегі тәрізді атомның байланыс энергиясы

мұндағы Ry = 13,6 эВ – Ридберг тұрақтысы, және δ ядролық заряд ақауы, жалпы алғанда nелеусіз. арасындағы энергия айырмашылығы n-м және n+1-ші энергия деңгейлері шамамен тең

Атомның сипатты өлшемі rnжәне электронды айналымның типтік жартылай классикалық периоды тең

Қайда a B = 0,5×10 −10 мБор радиусы, және T 1 ~ 10 −16 с.

Сутегі атомының негізгі және Ридберг күйлерінің кейбір сандарын салыстырайық.

1.1. Ридберг атомдарының дипольдік блокадасы

Атомдар негізгі күйден Ридберг күйіне қозғалғанда, қызықты құбылыс пайда болады. дипольді блокада.Разрядталған атомдық буда негізгі күйдегі атомдар арасындағы қашықтық үлкен және атомдар арасында іс жүзінде ешқандай әрекеттесу болмайды. Алайда, атомдар Ридберг күйіне қозғалғанда, олардың орбиталық радиусы артады n 2 ~1 мкм дейін. Нәтижесінде атомдар «жақындайды», олардың арасындағы өзара әрекеттесу айтарлықтай артады, бұл атомдардың күйлерінің энергиясының ығысуын тудырады. Бұл не әкеледі? Әлсіз жарық импульсі арқылы негізгі күйден Риберг күйіне бір ғана атом қозғалуы мүмкін деп алайық. Бір деңгейді басқа атоммен толтыру әрекеті «дипольдік блокадаға» байланысты мүмкін болмайтыны анық.

2. Зерттеу бағыттары және мүмкін болатын қолданбалар

Зерттеудің негізгі бағыттары:

Ірі бірнеше штаттардың nкеңістікте азды-көпті локализацияланатын толқындық пакетті құруға болады. Егер орбиталық кванттық сан да үлкен болса, онда біз дерлік классикалық суретті аламыз: локализацияланған электронды бұлт ядроның айналасында одан үлкен қашықтықта айналады.
Егер орбиталық импульс аз болса, онда мұндай толқын пакетінің қозғалысы болады квази-бірөлшемді: Электрондық бұлт ядродан алыстап, оған қайта жақындайды. Бұл Күнді айнала қозғалған кезде классикалық механикада жоғары созылған эллиптикалық орбитаның аналогы.
Сыртқы электр және магнит өрістеріндегі Ридберг электронының әрекеті. Ядроға жақын қарапайым электрондар көбінесе ядроның күшті электростатикалық өрісін сезінеді (тәртібі бойынша). 10 9 В/см), А сыртқы жиектеролар үшін тек шағын қоспалар рөл атқарады. Ридберг электроны ядроның қатты әлсіреген өрісін сезінеді ( E~E0/n4), сондықтан сыртқы өрістер электронның қозғалысын түбегейлі бұрмалауы мүмкін.
Екі Ридберг электроны бар атомдар қызықты қасиеттерге ие, бір электрон ядроның айналасында екіншісіне қарағанда үлкен қашықтықта «айналдырады». Мұндай атомдар деп аталады планеталық.
Гипотезалардың біріне сәйкес шар найзағай Ридберг затынан тұрады.

Ридберг атомдарының ерекше қасиеттері қазірдің өзінде қолданбаларды табуда

Радио сәулеленудің кванттық детекторлары: Ридберг атомдары радио диапазонында тіпті бір фотонды тіркей алады, бұл әдеттегі антенналардың мүмкіндіктерінен әлдеқайда жоғары.
Ридберг электронының сатылы энергетикалық спектрі энергияны дәл өлшеу үшін пайдаланылуы мүмкін «энергия балансы» ретінде қызмет етеді.
Ридберг атомдары жұлдыз аралық ортада да байқалады. Олар табиғаттың өзі біз үшін жасалған өте сезімтал қысым сенсорлары.

2009 жылы Штутгарт университетінің зерттеушілері Ридберг молекуласын алуға қол жеткізді.

Ескертпелер

В.ДемтродерЛазерлік спектроскопия: негізгі түсініктер және аспаптар. - Springer, 2009. - 924 б. - ISBN 354057171X
R. Heidemann және т.б. (2007). «Күшті блокада режиміндегі когерентті ұжымдық Ридберг қозуының дәлелі - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601». Физикалық шолу хаттары 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.
Шар найзағайындағы үйлесімділік - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru «Әлемде алғаш рет Ридберг молекуласы алынды» - www.membrana.ru/lenta/?9250

Стронций-84 атомдарының Бозе-Эйнштейн конденсатында полярондар пайда болуы мүмкін, олар серпімді деформациялар бұлтымен қоршалған Ридберг атомдары болып табылады. Бұл әсер тәжірибеде байқалды және Австрия мен АҚШ физиктері теориялық тұрғыдан негіздеді. жылы жарияланған мақала Физикалық шолу хаттары, жұмыстың алдын ала баспасы arXiv.org сайтында қолжетімді.

Баяу электрон диэлектрик арқылы қозғалғанда оның атомдарымен әрекеттесіп, торды деформациялайды (поляризациялайды). Электрон қозғалған кезде деформация аймағы онымен бірге ығысады да, электрон үнемі фонондар бұлтымен қоршалғаны белгілі болды. Сонымен қатар, алынғанның квадраттық спектрі бар, яғни оның кейбір тиімді массасы бар («қарапайым» электрон-квазибөлшектердің массасынан сәл үлкен). Мұндай квазибөлшек деп аталады полярон. Бұл квазибөлшекпен шатастырмау керек поляритонфотондардың ортаның элементарлық қозуларымен (фонондар, экситондар, плазмондар, магнондар және т.б.) әсерлесуінен туындайтын.

Полярондар тек диэлектриктерде ғана емес, сонымен қатар металдарда, жартылай өткізгіштерде, иондық кристалдарда және тіпті ферромагнетиктерде («Нагаока қапшығын» қараңыз) пайда болады және поляронның «ядросы» ретінде тек электрон ғана емес, басқа зарядталған біртекті еместік те әрекет ете алады. Әрине, әртүрлі материалдардағы полярондардың қасиеттері әртүрлі. Полярондар иондық кристалдар мен полярлық жартылай өткізгіштердің өткізгіштігін, органикалық жартылай өткізгіштердегі спиннің тасымалдануын және екі өлшемді материалдардағы оптикалық жұтылуды түсіндіруде маңызды рөл атқарады.

Бұл мақалада Томас Киллиан бастаған топ стронций-84 атомдарындағы Ридберг полярондарының спектроскопиялық бақылаулары туралы хабарлайды. Мұндай полярондарда Ридберг атомы «ядро» ретінде әрекет етеді - электрон өте күшті қоздырылатын атом, яғни ол негізгі кванттық санның өте үлкен мәні бар деңгейде. . Нәтижесінде атомның ішкі бөлігін бір оң зарядты және үлкен массасы бар тиімді бөлшек ретінде қарастыруға болады және тұтастай алғанда атом кәдімгі сутегі атомына қатты ұқсайды.

Алдымен зерттеушілер стронций атомдарының бұлтын лазер сәулелерімен (оптикалық дипольді тұзақ) ұстап, оны шамамен 150 нанокельвинге дейін салқындату арқылы Бозе конденсатын дайындады. Мұндай конденсаттағы көрші атомдар арасындағы орташа қашықтық шамамен 80 нанометр болды. Содан кейін ғалымдар 689 және 319 нанометр толқын ұзындығы бар қысқа (микросекунд ретімен) лазерлік жарқылдар арқылы атомдарды иондады. Нәтижесінде стронций атомының сыртқы қабықшасындағы электрондардың бірі ауысады с-орбитальдар қосулы б-орбиталық, содан кейін секірді с- жоғары орбиталық n- ші қабық. Ақырында, ғалымдар Бозе конденсатының сызықтық реакциясын өлшеді, яғни жердегі (қозбаған) және қозған күйлер арасындағы ауысу амплитудасы қозу жиілігіне байланысты екенін анықтады. Нәтижесінде, зерттеушілер төмен жиіліктерде жауап Гаусс таралуына сәйкес өсетінін анықтады (суреттегі көлеңкеленген аймақтар), ал максимумға жеткенде спектр тұрақты дерлік болады.

Негізгі кванттық санның әртүрлі мәндері үшін сызықтық реакцияның қозу жиілігіне тәуелділігі nПолярон түзетін Ридберг атомы. Жолдар теориялық есептелген тәуелділікті, нүктелер эксперименттік деректерді көрсетеді

Ф.Камарго және т.б. / Физ. Аян. Летт.

Ғалымдар сонымен қатар полярондардың пайда болуын түсіндіру үшін стронций атомдарының конденсатын сандық түрде зерттеді. Шынында да, Бозе конденсатында орналасқан Ридберг атомының Гамильтонианын жазып, диагонализациялау арқылы полярондық спектрді (Фрохлих Гамильтониан) алуға болады. Бұл үшін физиктер функционалдық детерминанттарды есептеуге негізделген бұрын әзірленген тәсілді қолданды (функционалдық детерминант тәсілі, FDA). Теориялық есептелген тәуелділік тәжірибелік мәліметтерді жақсы түсіндірді, ал оның Гаусс бөлігі полярондардың түзілуіне сәйкес келді.

Жалпы айтқанда, физиктер әдетте рубидий-87 атомдарының Bose конденсатымен жұмыс істейді, ал бұрын мақала авторлары ондағы полярондарды анықтауға тырысқан. Алайда, электронды қабаттардың ерекшеліктеріне байланысты ( -толқын пішінінің резонансы) рубидийдің Ридберг атомдарының жұту спектрі деңгей санына қатты тәуелді n, оның үстінде электрон орналасқан және бұл тәжірибе деректерінде полярондарға сәйкес келетін резонанстарды тануды қиындатады. Стронций-84 атомдарының конденсатында мұндай мәселелер туындамайды.

Өткен жылдың соңында Швейцариялық физиктер Кванттық электроника институтының Бозе конденсатында рубидий-87 атомдары, Хиггс және Голдстоун тербеліс режимдері, дегенмен әдетте осы режимдердің бірі басылады. Ол үшін олар лазер сәулелерінің көмегімен конденсатты ұстап, ондағы пайда болатын қозуды Брагг спектроскопиясы арқылы бақылаған.

Дмитрий Трунин