Vedci vytvorili novú formu hmoty nazývanú „fotónová molekula“! Rydberg uvádza

Aktuálna verzia stránky ešte nebola skontrolovaná

Aktuálna verzia stránky ešte nebola skontrolovaná skúsenými členmi a môže sa výrazne líšiť od verzie recenzovanej 9. novembra 2018; vyžaduje sa overenie.

Rydbergove atómy(pomenovaný po J. R. Rydbergovi) - atómy podobné vodíku a atómy alkalických kovov, v ktorých je vonkajší elektrón vo vysoko excitovanom stave (až do hladín n asi 1000). Aby sa atóm preniesol zo základného stavu do excitovaného stavu, je ožiarený rezonančným laserovým svetlom alebo je iniciovaný RF výboj. Veľkosť Rydbergovho atómu môže presiahnuť veľkosť rovnakého atómu v základnom stave takmer 106-krát. n = 1000 (pozri tabuľku nižšie).

Elektrón otáčajúci sa na obežnej dráhe s polomerom r okolo jadra podľa druhého Newtonovho zákona prežíva silu

Z týchto dvoch rovníc získame vyjadrenie pre polomer dráhy elektrónu v stave n :

Kde Ry = 13,6 eV je Rydbergova konštanta a δ je defekt jadrového náboja, ktorý vo všeobecnosti n bezvýznamný. Energetický rozdiel medzi n-m a ( n+1)-tá hladina energie sa rovná

Charakteristická veľkosť atómu rn a typické poloklasické obdobie elektrónovej revolúcie sa rovnajú

Vlnová dĺžka emisie atómu vodíka pri prechode z n"= 91 na n = 90 rovných 3,4 cm.

Keď sú atómy excitované zo základného stavu do Rydbergovho stavu, dochádza k zaujímavému javu, nazývanému "dipólová blokáda".

Koherentné riadenie dipólovej blokády Rydbergových atómov laserovým svetlom z nich robí sľubného kandidáta na praktickú implementáciu kvantového počítača. Podľa vedeckej tlače nebol do roku 2009 experimentálne implementovaný dvojqubitový hradlový prvok, ktorý je dôležitý pre výpočtovú techniku. Existujú však správy o pozorovaní kolektívnej excitácie a dynamickej interakcie medzi dvoma atómami a v mezoskopických vzorkách.

Silne interagujúce Rydbergove atómy sa vyznačujú kvantovo kritickým správaním, ktoré poskytuje základ vedecký záujem k nim bez ohľadu na aplikáciu.

Štúdie súvisiace s Rydbergovými stavmi atómov možno podmienečne rozdeliť do dvoch skupín: štúdium samotných atómov a využitie ich vlastností na iné účely.

V roku 2009 sa výskumníkom z podarilo získať Rydbergovu molekulu (Angličtina) .

Prvé experimentálne údaje o Rydbergových atómoch v rádioastronómii získali v roku 1964 R. S. Sorochenko a kol. Pri zaostrení ďalekohľadu na hmlovinu Omega bola v spektre rádiovej emisie pochádzajúcej z tejto hmloviny detegovaná emisná čiara s vlnovou dĺžkou λ ≃ 3,4 cm. Táto vlnová dĺžka zodpovedá prechodu medzi Rydbergovými stavmi n"= 91 A n = 90 v spektre atómu vodíka

Fyzici Michail Lukin a Vladan Vuletic uskutočnili experiment, v ktorom fotóny interagujú ako častice v molekule. Doteraz sa to považovalo za možné len teoreticky.

Michailovi Lukinovi (Harvard) a Vladanovi Vuletičovi (MIT) sa podarilo prinútiť fotóny, aby sa naviazali a vytvorili akúsi molekulu. Experimentálne sa získal nový stav hmoty, o ktorého existencii sa predtým uvažovalo len teoreticky. Ich práca je opísaná v časopise Príroda zo dňa 25. septembra.

Tento objav, hovorí Lukin, je v rozpore s myšlienkami nahromadenými v priebehu desaťročí o povahe svetla. Fotóny sú tradične opísané ako častice, ktoré nemajú žiadnu hmotnosť a navzájom neinteragujú: ak sú dva laserové lúče vyžarované priamo proti sebe, jednoducho prejdú cez seba.

"Väčšina známych vlastností svetla je spôsobená skutočnosťou, že fotóny nemajú žiadnu hmotnosť a navzájom neinteragujú," hovorí Lukin. "Podarilo sa nám však vytvoriť špeciálny typ média, v ktorom fotóny interagujú tak silno, že sa začnú správať, akoby mali hmotu a naviazali sa na seba a vytvorili molekuly." O tomto type viazaného stavu fotónov sa teoreticky diskutuje pomerne dlho, ale doteraz ho nebolo možné pozorovať.“

Podľa Lukina analógia so svetelným mečom, ktorú tak veľmi milujú spisovatelia vesmírnej fantasy, nebude príliš náročná. Pri interakcii takýchto fotónov sa navzájom odpudzujú a sú vychýlené do strany. To, čo sa v tejto chvíli deje s molekulami, je ako bitka svetelným mečom vo filme.

Lukin s kolegami (Ofer Fisterberg a Alexej Gorshkov z Harvardu a Thibaut Peyronel a Qi Liang z Massachusetts), aby prinútili fotóny, ktoré za normálnych okolností nemajú žiadnu hmotnosť, aby sa na seba naviazali. extrémnych podmienkach. Výskumníci napumpovali atómy rubídia do vákuovej komory, potom pomocou lasera ochladili atómový mrak takmer na absolútnu nulu. Pomocou ultraslabých laserových impulzov vystrelili do tohto oblaku jednotlivé fotóny.
"Keď fotón vstúpi do oblaku studených atómov," hovorí Lukin, "jeho energia privedie atómy, ktoré sa "stretli na svojej ceste" do stavu excitácie, čo prudko spomalí pohyb fotónu. Keď sa pohybuje oblakom, jeho energia putuje z atómu na atóm a nakoniec opúšťa oblak spolu s fotónom. Keď fotón opustí toto médium, jeho identita sa zachová. Ide o rovnaký efekt, ktorý pozorujeme, keď sa svetlo láme v pohári vody. Svetlo vstupuje do vody, odovzdáva časť svojej energie okoliu a existuje v nej súčasne ako svetlo a hmota. Ale keď vyjde z vody, je ešte svetlo. V experimente s fotónmi sa deje približne to isté, len vo viacerých vysoký stupeň: svetlo je výrazne spomalené a odovzdáva médiu viac energie ako pri lomu.

Vystrelením dvoch fotónov do oblaku Lukin a kolegovia zistili, že vyšli spolu ako jedna molekula.
"Tento efekt sa nazýva Rydbergova blokáda," vysvetľuje Lukin. - Spočíva v tom, že keď je atóm v excitovanom stave, atómy najbližšie k nemu nemôžu byť excitované v rovnakej miere. V praxi to znamená, že keď dva fotóny vstúpia do atómového mraku, prvý excituje jeden atóm, ale musí sa pohnúť dopredu skôr, ako druhý fotón excituje susedný. Výsledkom je, že keď energia dvoch fotónov prechádza z atómu na atóm, zdá sa, že sa navzájom ťahajú a tlačia cez atómový oblak. Fotónová interakcia je spôsobená atómovou interakciou. Spôsobuje, že dva fotóny sa správajú ako molekula a s najväčšou pravdepodobnosťou opustia médium ako jeden fotón.“

Tento nezvyčajný efekt má množstvo praktických aplikácií.

„Robíme to pre vlastné potešenie a posúvanie hraníc poznania,“ hovorí Lukin. "Naše výsledky však dobre zapadajú do väčšieho obrazu, pretože fotóny zostávajú dnes najlepším prostriedkom na prenos kvantových informácií. Až doteraz bola hlavnou prekážkou ich využitia v tejto funkcii nedostatočná interakcia medzi nimi.“

Ak chcete vytvoriť kvantový počítač, musíte vytvoriť systém, ktorý dokáže uchovávať kvantové informácie a spracovávať ich pomocou operátorov kvantovej logiky. Hlavným problémom je, že kvantová logika vyžaduje interakciu medzi jednotlivými kvantami, potom je možné systém „zapnúť“ na spracovanie informácií.

"Dokázali sme ukázať, že je to možné," hovorí Lukin. - Ale skôr, než sa dostaneme fungujúci kvantový prepínač alebo vytvorenie fotonickej logiky, musíme ešte zlepšiť efektivitu procesu; teraz je to skôr vzorka demonštrujúca základnú myšlienku. Predstavuje to však aj veľký krok: fyzikálne princípy, ktoré táto práca presadzuje, sú veľmi dôležité.“

Systém, ktorý výskumníci predviedli, môže byť užitočný aj pri klasickej výpočtovej technike, kde neustále rastie potreba rôznych médií. Niektoré spoločnosti, vrátane IBM, pracujú na systémoch založených na optických smerovačoch, ktoré dokážu konvertovať svetelné signály na elektrické signály, ale aj tieto systémy majú obmedzenia.

Lukin tiež navrhol, že systém vyvinutý jeho skupinou by sa jedného dňa mohol použiť na vytvorenie trojrozmerných štruktúr podobných kryštálom zo svetla.
„Ešte nevieme, ako sa dajú aplikovať,“ povedal, „ale toto je nový stav hmoty; dúfame, že praktický význam sa objaví, keď budeme pokračovať v štúdiu vlastností fotonických molekúl.

Na základe materiálov:

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

Väčšina ľudí ľahko vymenuje tri klasické stavy hmoty: kvapalné, pevné a plynné. Tí, čo vedia trochu vedy, k týmto trom pridajú plazmu. Postupom času však vedci rozšírili zoznam možných stavov hmoty nad rámec týchto štyroch.

amorfné a pevné

Amorfné pevné látky sú pomerne zaujímavou podskupinou dobre známeho pevného skupenstva. V typickom pevnom objekte sú molekuly dobre organizované a nemajú veľa priestoru na pohyb. To dáva tuhej látke vysokú viskozitu, ktorá je mierou prietokového odporu. Kvapaliny, na druhej strane, majú dezorganizovanú molekulárnu štruktúru, ktorá im umožňuje prúdiť, šíriť sa, meniť tvar a nadobúdať tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Amorfné pevné látky sú niekde medzi týmito dvoma stavmi. V procese vitrifikácie sa kvapaliny ochladzujú a ich viskozita sa zvyšuje až do okamihu, keď látka už netečie ako kvapalina, ale jej molekuly zostávajú neusporiadané a nenadobúdajú kryštalickú štruktúru, ako bežné tuhé látky.

Najbežnejším príkladom amorfnej pevnej látky je sklo. Po tisíce rokov ľudia vyrábajú sklo z oxidu kremičitého. Keď sklári ochladzujú oxid kremičitý z jeho tekutého stavu, v skutočnosti nestuhne, keď klesne pod teplotu topenia. Keď teplota klesá, viskozita stúpa a látka sa zdá byť tvrdšia. Jeho molekuly však stále zostávajú neusporiadané. A potom sa sklo stane amorfným a pevným súčasne. Tento prechodný proces umožnil remeselníkom vytvárať nádherné a neskutočné sklenené štruktúry.

Aký je funkčný rozdiel medzi amorfnými pevnými látkami a obvyklým pevným stavom? IN Každodenný život nie je to veľmi nápadné. Sklo sa zdá byť dokonale pevné, kým ho nepreskúmate na molekulárnej úrovni. A mýtus, že sklo časom tečie, nestojí ani cent. Najčastejšie tento mýtus podporujú argumenty, že staré sklo v kostoloch pôsobí v spodnej časti hrubšie, čo je však spôsobené nedokonalosťou procesu fúkania skla v čase vzniku týchto skiel. Je však zaujímavé študovať amorfné pevné látky, ako je sklo vedecký bod vízia pre štúdium fázových prechodov a molekulárnej štruktúry.

Superkritické tekutiny (kvapaliny)

Väčšina fázových prechodov sa vyskytuje pri určitej teplote a tlaku. Je všeobecne známe, že zvýšenie teploty nakoniec zmení kvapalinu na plyn. Keď sa však tlak zvyšuje s teplotou, kvapalina robí skok do oblasti superkritických tekutín, ktoré majú vlastnosti plynu aj kvapaliny. Napríklad superkritické tekutiny môžu prechádzať cez pevné látky ako plyn, ale môžu pôsobiť aj ako rozpúšťadlo ako kvapalina. Je zaujímavé, že superkritická tekutina môže byť vyrobená skôr ako plyn alebo kvapalina, v závislosti od kombinácie tlaku a teploty. To umožnilo vedcom nájsť mnoho použití pre superkritické tekutiny.

Hoci superkritické tekutiny nie sú také bežné ako amorfné pevné látky, pravdepodobne s nimi interagujete rovnako často ako so sklom. Superkritický oxid uhličitý milujú pivovarnícke spoločnosti pre jeho schopnosť pôsobiť ako rozpúšťadlo pri interakcii s chmeľom a kávové spoločnosti ho používajú na výrobu kvalitnejšej kávy bez kofeínu. Superkritické kvapaliny sa tiež používajú na efektívnejšiu hydrolýzu a na udržanie prevádzky elektrární pri vyšších teplotách. Vo všeobecnosti pravdepodobne každý deň používate superkritické tekuté vedľajšie produkty.

degenerovaný plyn

Hoci amorfné pevné látky sa prinajmenšom nachádzajú na planéte Zem, degenerovaná hmota sa nachádza len v určitých typoch hviezd. Degenerovaný plyn existuje, keď vonkajší tlak látky nie je určený teplotou, ako na Zemi, ale zložitými kvantovými princípmi, najmä Pauliho princípom. Z tohto dôvodu sa vonkajší tlak degenerovanej hmoty udrží, aj keď teplota hmoty klesne na absolútnu nulu. Sú známe dva hlavné typy degenerovanej hmoty: elektrón-degenerovaná a neutrónová-degenerovaná hmota.

Elektronicky degenerovaná hmota existuje hlavne u bielych trpaslíkov. Vzniká v jadre hviezdy, keď sa hmota okolo jadra snaží stlačiť elektróny jadra do stavu s nižšou energiou. Podľa Pauliho princípu však dve rovnaké častice nemôžu byť v rovnakom energetickom stave. Častice teda „odpudzujú“ hmotu okolo jadra a vytvárajú tlak. To je možné len vtedy, ak je hmotnosť hviezdy menšia ako 1,44 hmotnosti Slnka. Keď hviezda prekročí tento limit (známy ako Chandrasekharov limit), jednoducho sa zrúti na neutrónovú hviezdu alebo čiernu dieru.

Keď hviezda spadne a stane sa neutrónová hviezda, už nemá elektrón-degenerovanú hmotu, pozostáva z neutrónovo degenerovanej hmoty. Pretože neutrónová hviezda je ťažká, elektróny sa v jej jadre spájajú s protónmi a vytvárajú neutróny. Voľné neutróny (neutróny nie sú viazané atómové jadro) majú polčas rozpadu 10,3 minúty. V jadre neutrónovej hviezdy však hmotnosť hviezdy umožňuje existenciu neutrónov mimo jadier a vytvára tak neutrónovo degenerovanú hmotu.

Môžu existovať aj iné exotické formy degenerovanej hmoty, vrátane podivnej hmoty, ktorá môže existovať vo vzácnej forme hviezd, kvarkových hviezd. Kvarkové hviezdy sú štádiom medzi neutrónovou hviezdou a čiernou dierou, kde kvarky v jadre nie sú viazané a tvoria polievku voľných kvarkov. Tento typ hviezd sme zatiaľ nepozorovali, ale fyzici ich existenciu pripúšťajú.

Supratekutosť

Vráťme sa na Zem, aby sme prediskutovali supratekutiny. Supratekutosť je stav hmoty, ktorý existuje v určitých izotopoch hélia, rubídia a lítia, ochladených takmer na absolútnu nulu. Tento stav je podobný Boseho-Einsteinovmu kondenzátu (Bose-Einsteinov kondenzát, BEC), s niekoľkými rozdielmi. Niektoré BEC sú supratekuté a niektoré supratekuté sú BEC, ale nie všetky sú identické.

Kvapalné hélium je známe svojou supratekutosťou. Keď sa hélium ochladí na "bod lambda" -270 stupňov Celzia, časť kvapaliny sa stane supratekutou. Ak v pohode najviac látky do určitého bodu, príťažlivosť medzi atómami prekonáva tepelné vibrácie v látke, čo im umožňuje vytvoriť pevnú štruktúru. Atómy hélia však navzájom interagujú tak slabo, že môžu zostať kvapalné pri teplote takmer absolútnej nuly. Ukazuje sa, že pri tejto teplote sa charakteristiky jednotlivých atómov prekrývajú, čím vznikajú zvláštne vlastnosti supratekutosti.

Supratekuté látky nemajú vnútornú viskozitu. Supratekuté látky umiestnené v skúmavke sa začnú plaziť po stenách skúmavky, čím zdanlivo porušujú zákony gravitácie a povrchového napätia. Kvapalné hélium ľahko uniká, pretože môže prekĺznuť aj cez mikroskopické otvory. Supratekutosť má tiež zvláštne termodynamické vlastnosti. V tomto stave majú látky nulovú termodynamickú entropiu a nekonečnú tepelnú vodivosť. To znamená, že dve supratekuté látky nemožno tepelne odlíšiť. Ak sa do supratekutej látky pridá teplo, povedie ho tak rýchlo, že vzniknú tepelné vlny, ktoré nie sú charakteristické pre bežné kvapaliny.

Boseho-Einsteinov kondenzát

Bose-Einsteinov kondenzát je pravdepodobne jednou z najznámejších nejasných foriem hmoty. Najprv musíme pochopiť, čo sú to bozóny a fermióny. Fermión je častica s polovičným celočíselným spinom (ako elektrón) alebo zložená častica (ako protón). Tieto častice sa riadia Pauliho princípom, ktorý umožňuje existenciu hmoty degenerovanej elektrónmi. Bozón má však úplný celočíselný spin a niekoľko bozónov môže zaberať jeden kvantový stav. Medzi bozóny patria akékoľvek častice prenášajúce silu (napríklad fotóny), ako aj niektoré atómy vrátane hélia-4 a iných plynov. Prvky v tejto kategórii sú známe ako bosónové atómy.

V 20. rokoch 20. storočia Albert Einstein vzal prácu indického fyzika Satyendra Natha Boseho za základ pre návrh novej formy hmoty. Pôvodná Einsteinova teória bola, že ak ochladíte určité elementárne plyny na zlomok stupňa nad absolútnu nulu, ich vlnové funkcie sa spoja a vytvoria jeden „superatóm“. Takáto látka bude vykazovať kvantové účinky na makroskopickej úrovni. Ale až v 90. rokoch sa objavila technológia potrebná na chladenie prvkov na tieto teploty. V roku 1995 vedci Eric Cornell a Carl Wiemann dokázali spojiť 2000 atómov do Bose-Einsteinovho kondenzátu, ktorý bol dostatočne veľký na to, aby ho bolo možné vidieť pod mikroskopom.

Bose-Einsteinove kondenzáty úzko súvisia so supratekutinami, ale majú aj svoj vlastný súbor jedinečných vlastností. Vtipné je aj to, že BEC dokáže spomaliť normálnu rýchlosť svetla. V roku 1998 dokázal harvardský vedec Lene Howe spomaliť svetlo na 60 kilometrov za hodinu prechodom lasera cez vzorku BEC v tvare cigary. V neskorších experimentoch sa Howeovej skupine podarilo úplne zastaviť svetlo v BEC vypnutím lasera, keď svetlo prechádzalo cez vzorku. Tieto experimenty otvorili novú oblasť komunikácie založenú na svetle a kvantových výpočtoch.

Jan-Teller Metals

Jahn-Teller kovy sú najnovším dieťaťom vo svete stavov hmoty, keďže vedci ich prvýkrát dokázali úspešne vytvoriť až v roku 2015. Ak experimenty potvrdia aj iné laboratóriá, tieto kovy by mohli zmeniť svet, keďže majú vlastnosti izolantu aj supravodiča.

Vedci pod vedením chemika Cosmasa Prassidesa experimentovali so zavedením rubídia do štruktúry molekúl uhlíka-60 (bežne známych ako fullerény), čo viedlo k tomu, že fullerény nadobudli novú formu. Tento kov je pomenovaný po Jahn-Tellerovom efekte, ktorý popisuje, ako môže tlak zmeniť geometrický tvar molekúl v nových elektronických konfiguráciách. V chémii sa tlak dosahuje nielen stláčaním niečoho, ale aj pridávaním nových atómov alebo molekúl do už existujúcej štruktúry, čím sa menia jej základné vlastnosti.

Keď Prassidesova výskumná skupina začala pridávať rubídium do molekúl uhlíka-60, molekuly uhlíka sa zmenili z izolantov na polovodiče. Kvôli Jahn-Tellerovmu efektu sa však molekuly snažili zostať v starej konfigurácii, čím vznikla látka, ktorá sa snažila byť izolantom, no mala elektrické vlastnosti supravodiča. O prechode medzi izolátorom a supravodičom sa nikdy neuvažovalo, kým sa nezačali tieto experimenty.

Zaujímavosťou Jahn-Tellerových kovov je, že sa pri vysokých teplotách (-135 stupňov Celzia, nie pri 243,2 stupňov ako zvyčajne) stávajú supravodičmi. To ich približuje k úrovniam prijateľným pre masovú výrobu a experimentovanie. Ak sa všetko potvrdí, možno budeme o krok bližšie k vytvoreniu supravodičov, ktoré fungujú izbová teplotačo zase spôsobí revolúciu v mnohých oblastiach nášho života.

Fotonická hmota

Po mnoho desaťročí sa verilo, že fotóny sú častice bez hmotnosti, ktoré medzi sebou neinteragujú. Za posledných pár rokov však vedci z MIT a Harvardu objavili nové spôsoby, ako „obdarovať“ svetlo hmotou – a dokonca vytvárať „svetelné molekuly“, ktoré sa od seba odrážajú a spájajú. Niektorí mali pocit, že to bol prvý krok k vytvoreniu svetelného meča.

Veda o fotonickej hmote je trochu komplikovanejšia, ale je celkom možné ju pochopiť. Vedci začali vytvárať fotonickú hmotu experimentovaním s podchladeným rubídiovým plynom. Keď fotón preletí plynom, odráža sa a interaguje s molekulami rubídia, pričom stráca energiu a spomaľuje sa. Koniec koncov, fotón opúšťa oblak veľmi pomaly.

Keď pošlete dva fotóny plynom, začnú sa diať zvláštne veci, čo vytvorí jav známy ako Rydbergova blokáda. Keď je atóm excitovaný fotónom, blízke atómy nemôžu byť excitované v rovnakej miere. Excitovaný atóm je v dráhe fotónu. Aby bol atóm v blízkosti excitovaný druhým fotónom, musí prvý fotón prejsť plynom. Fotóny bežne medzi sebou neinteragujú, ale keď narazia na Rydbergovu blokádu, tlačia sa navzájom cez plyn, vymieňajú si energiu a interagujú medzi sebou. Zvonku sa zdá, že fotóny majú hmotnosť a pôsobia ako jedna molekula, hoci v skutočnosti zostávajú bez hmotnosti. Keď fotóny vychádzajú z plynu, zdá sa, že sa spájajú ako molekula svetla.

Praktická aplikácia fotonickej hmoty je stále otázna, ale určite sa nájde. Možno aj svetelné meče.

Porucha hyperhomogenity

Keď sa vedci snažia určiť, či je látka v novom stave, pozerajú sa na štruktúru látky, ako aj na jej vlastnosti. V roku 2003 Salvatore Torquato a Frank Stillinger z Princetonskej univerzity navrhli nový stav hmoty známy ako neusporiadaná hyperhomogenita. Hoci sa táto fráza javí ako oxymoron, vo svojom jadre naznačuje nový typ hmoty, ktorá sa zdá zblízka neusporiadaná, ale z diaľky superhomogénna a štruktúrovaná. Takáto látka musí mať vlastnosti kryštálu a kvapaliny. Na prvý pohľad to už existuje v plazme a kvapalnom vodíku, no nedávno vedci našli prirodzený príklad, kde to nikto nečakal: v kurom oku.

Kurčatá majú v sietnici päť šišiek. Štyri detekujú farbu a jeden je zodpovedný za úroveň osvetlenia. Na rozdiel od ľudského oka alebo šesťuholníkových očí hmyzu sú však tieto kužele rozptýlené náhodne, bez skutočného poriadku. Je to preto, že šišky v oku kurčaťa majú okolo seba zóny odcudzenia, ktoré nedovoľujú, aby boli vedľa seba dve šišky rovnakého typu. Kvôli vylúčenej zóne a tvaru kužeľov nemôžu vytvárať usporiadané kryštálové štruktúry (ako v pevných látkach), ale keď sa všetky kužele považujú za jeden, zdá sa, že majú vysoko usporiadaný vzor, ako je vidieť na obrázkoch z Princetonu nižšie. . Tieto čapíky v sietnici kurieho oka teda môžeme opísať ako tekuté pri pohľade zblízka a ako pevné pri pohľade z diaľky. To sa líši od amorfných pevných látok, o ktorých sme hovorili vyššie, pretože tento ultrahomogénny materiál bude pôsobiť ako kvapalina a amorfný pevný- Nie.

Vedci stále skúmajú tento nový stav hmoty, pretože môže byť tiež bežnejší, ako sa pôvodne predpokladalo. Teraz sa vedci z Princetonskej univerzity pokúšajú prispôsobiť takéto ultrahomogénne materiály tak, aby vytvorili samoorganizujúce sa štruktúry a svetelné detektory, ktoré reagujú na svetlo s určitou vlnovou dĺžkou.

Reťazcové siete

Aký stav hmoty je vákuum priestoru? Väčšina ľudí o tom nepremýšľa, ale za posledných desať rokov Xiao Gang-Wen z Massachusettského technologického inštitútu a Michael Levin z Harvardu navrhli nový stav hmoty, ktorý by nás mohol priviesť k objavu základných častíc za elektrónom. .

Cesta k vývoju modelu strunové siete sa začala v polovici 90. rokov, keď skupina vedcov navrhla takzvané kvázi častice, ktoré sa zdalo, že sa objavili v experimente, keď elektróny prechádzali medzi dvoma polovodičmi. Nastal rozruch, keď sa kvázi častice správali, akoby mali zlomkový náboj, čo sa pre fyziku tej doby zdalo nemožné. Vedci analyzovali údaje a navrhli, že elektrón nie je základnou časticou vesmíru a že existujú základné častice, ktoré sme ešte neobjavili. Táto práca ich priniesla nobelová cena, no neskôr sa ukázalo, že do výsledkov ich práce sa vkradla chyba v experimente. O kvázičasticiach bezpečne zabudnutých.

Ale nie všetky. Wen a Levin vzali za základ myšlienku kvázičastíc a navrhli nový stav hmoty, stav reťazcovej siete. Hlavnou vlastnosťou takéhoto štátu je kvantové zapletenie. Rovnako ako pri neusporiadanej hyperhomogenite, ak sa pozriete pozorne na hmotu reťazcov, vyzerá to ako neusporiadaná zbierka elektrónov. Ale ak sa na to pozriete ako na celú štruktúru, uvidíte vysoký poriadok kvôli kvantovo previazaným vlastnostiam elektrónov. Wen a Levin potom rozšírili svoju prácu o ďalšie častice a vlastnosti zapletenia.

Po spustení počítačových modelov pre nový stav hmoty Wen a Levin zistili, že konce reťazcových sietí môžu produkovať rôzne subatomárne častice, vrátane legendárnych „kvázičastíc“. Ešte väčším prekvapením bolo, že keď sieťová látka vibruje, robí to v súlade s Maxwellovými rovnicami zodpovednými za svetlo. Wen a Levin navrhli, že vesmír je vyplnený sieťami strún zapletených subatomárnych častíc a že konce týchto sietí predstavujú subatomárne častice, ktoré pozorujeme. Tiež navrhli, že kvapalina reťazovej siete môže poskytnúť existenciu svetla. Ak je vákuum vesmíru naplnené tekutinou zo siete, mohlo by nám to umožniť spojiť svetlo a hmotu.

Toto všetko sa môže zdať veľmi pritiahnuté za vlasy, ale v roku 1972 (desaťročia pred návrhmi siete na strunu) objavili geológovia v Čile zvláštny materiál – herbertsmithit. V tomto minerále tvoria elektróny trojuholníkové štruktúry, ktoré sa zdajú byť v rozpore so všetkým, čo vieme o tom, ako elektróny medzi sebou interagujú. Okrem toho bola táto trojuholníková štruktúra predpovedaná modelom reťazcovej siete a vedci pracovali s umelým herbertsmithitom, aby presne potvrdili model.

Kvarkovo-gluónová plazma

Keď už hovoríme o poslednom stave hmoty na tomto zozname, zvážte stav, ktorý to všetko začal: kvark-gluónová plazma. V ranom vesmíre sa stav hmoty výrazne líšil od klasického. Na začiatok trochu pozadia.

Kvarky sú elementárne častice, ktoré nájdeme vo vnútri hadrónov (napríklad protóny a neutróny). Hadróny sa skladajú buď z troch kvarkov, alebo jedného kvarku a jedného antikvarku. Kvarky majú zlomkový náboj a sú držané pohromade gluónmi, ktoré sú výmennými časticami silnej jadrovej sily.

Voľné kvarky nevidíme v prírode, ale bezprostredne po nich veľký tresk na milisekundu existovali voľné kvarky a gluóny. Počas tejto doby bola teplota vesmíru taká vysoká, že kvarky a gluóny sa pohybovali takmer rýchlosťou svetla. Počas tohto obdobia vesmír pozostával výlučne z tejto horúcej kvark-gluónovej plazmy. Po ďalšom zlomku sekundy sa vesmír dostatočne ochladil, aby vytvoril ťažké častice, ako sú hadróny, a kvarky začnú interagovať medzi sebou a gluónmi. Od tohto momentu sa začala formácia nám známeho vesmíru a hadróny sa začali viazať s elektrónmi, čím sa vytvorili primitívne atómy.

Už v modernom vesmíre sa vedci pokúšali znovu vytvoriť kvark-gluónovú plazmu vo veľkých urýchľovačoch častíc. Počas týchto experimentov sa ťažké častice ako hadróny navzájom zrazili a vytvorili teplotu, pri ktorej sa kvarky na krátky čas oddelili. V priebehu týchto experimentov sme sa veľa naučili o vlastnostiach kvark-gluónovej plazmy, v ktorej nedochádzalo k treniu a ktorá bola skôr kvapalinou ako obyčajnou plazmou. Experimenty s exotickým stavom hmoty nám umožňujú dozvedieť sa veľa o tom, ako a prečo vznikol náš vesmír tak, ako ho poznáme.

15. novembra 2017 Gennady

Plán:

1 Vlastnosti Rydbergových atómov
- 1.1 Dipólová blokáda Rydbergových atómov
2 Smery výskumu a možné aplikácie

Úvod

Rydbergove atómy(pomenovaný po J. R. Rydbergovi) - atómy alkalických kovov, v ktorých je vonkajší elektrón vo vysoko excitovanom stave (až do hladín n ~ 100). Aby sa atóm preniesol zo základného stavu do excitovaného stavu, je ožiarený rezonančným laserovým svetlom alebo je iniciovaný RF výboj. Veľkosť Rydbergovho atómu je oveľa väčšia ako veľkosť toho istého atómu v základnom stave takmer 10 000-krát pre n=100 (pozri tabuľku nižšie).

1. Vlastnosti Rydbergových atómov

Elektrón otáčajúci sa na obežnej dráhe s polomerom r okolo jadra, podľa druhého Newtonovho zákona, pôsobí silou:

Kde k= 1/(4πε 0), e je náboj elektrónu.

Orbitálny moment v jednotkách ħ rovná sa:

Z týchto dvoch rovníc získame vyjadrenie pre polomer dráhy elektrónu v stave „n“

Schéma laserovej excitácie atómu rubídia do Rydbergovho stavu

Väzbová energia takéhoto atómu podobného vodíku je

kde Ry = 13,6 eV je Rydbergova konštanta a δ defekt jadrového náboja, ktorý vo všeobecnosti n bezvýznamný. Energetický rozdiel medzi n-m a n+1-tá hladina energie sa približne rovná

Charakteristická veľkosť atómu rn a typické poloklasické obdobie elektrónovej revolúcie sa rovnajú

Kde a B = 0,5 x 10 -10 m je Bohrov polomer a T 1 ~ 10 −16 s.

Porovnajme niektoré počty základných a Rydbergových stavov atómu vodíka.

1.1. Dipólová blokáda Rydbergových atómov

Pri excitácii atómov zo základného stavu do Rydbergovho stavu dochádza k zaujímavému javu, tzv dipólová blokáda. Vo vybitej atómovej pare je vzdialenosť medzi atómami v základnom stave veľká a medzi atómami prakticky neexistuje žiadna interakcia. Keď sú však atómy excitované do Rydbergovho stavu, ich orbitálny polomer sa zväčší o n 2 až do ~1 µm. V dôsledku toho sa atómy "približujú", interakcia medzi nimi sa výrazne zvyšuje, čo spôsobuje posun energie stavov atómov. K čomu to vedie? Predpokladajme, že len jeden atóm môže byť excitovaný zo základného stavu do Riebergovho stavu slabým svetelným impulzom. Pokus o osídlenie rovnakej úrovne iným atómom je zjavne nemožný kvôli „dipólovej blokáde“.

2. Smery výskumu a možné aplikácie

Štúdie súvisiace s Rydbergovými stavmi atómov možno podmienečne rozdeliť do dvoch skupín: štúdium samotných atómov a využitie ich vlastností na iné účely.

Základné oblasti výskumu:

Z viacerých štátov s veľ n je možné zostaviť vlnový paket, ktorý bude viac-menej lokalizovaný v priestore. Ak je orbitálne kvantové číslo tiež veľké, dostaneme takmer klasický obraz: okolo jadra rotuje lokalizovaný elektrónový oblak vo veľkej vzdialenosti od neho.
Ak je orbitálna hybnosť malá, pohyb takéhoto vlnového balíka bude kvázi jednorozmerné: Elektrónový oblak sa vzdiali od jadra a opäť sa k nemu priblíži. Toto je analógia vysoko predĺženej eliptickej dráhy v klasickej mechanike pri pohybe okolo Slnka.
Správanie Rydbergovho elektrónu vo vonkajších elektrických a magnetické polia. Obyčajné elektróny v blízkosti jadra väčšinou cítia silné elektrostatické pole jadra (rádovo 109 V/cm), a vonkajšie polia pre nich zohrávajú úlohu iba malých doplnkov. Rydbergov elektrón cíti silne oslabené pole jadra ( E~E0/n4), a preto vonkajšie polia môžu radikálne skresliť pohyb elektrónu.
Atómy s dvoma Rydbergovými elektrónmi majú zaujímavé vlastnosti, pričom jeden elektrón sa okolo jadra „točí“ vo väčšej vzdialenosti ako druhý. Takéto atómy sa nazývajú planetárne.
Podľa jednej z hypotéz guľový blesk pozostáva z Rydbergovej látky.

Nezvyčajné vlastnosti Rydbergových atómov už nachádzajú uplatnenie

Kvantové detektory rádiovej emisie: Rydbergove atómy dokážu zaregistrovať aj jeden fotón v rádiovom dosahu, čo je ďaleko za možnosťami konvenčných antén.
Stupňovité energetické spektrum Rydbergovho elektrónu slúži ako „energetická rovnováha“, ktorú možno použiť na presné merania energie.
Rydbergove atómy sú tiež pozorované v medzihviezdnom prostredí. Sú to veľmi citlivé tlakové senzory, ktoré pre nás vytvorila sama príroda.

V roku 2009 sa výskumníkom z univerzity v Stuttgarte podarilo získať Rydbergovu molekulu.

Poznámky

W. Demtroder Laserová spektroskopia: Základné pojmy a prístrojové vybavenie. - Springer, 2009. - 924 s. - ISBN 354057171X
R. Heidemann a kol. (2007). "Dôkaz pre koherentnú kolektívnu Rydbergovu excitáciu v režime silnej blokády - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601". Fyzické prehľadové listy 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.
Súdržnosť v guľovom blesku - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
membrana.ru "Prvýkrát na svete bola získaná Rydbergova molekula" - www.membrana.ru/lenta/?9250

V Bose-Einsteinovom kondenzáte atómov stroncia-84 sa môžu objaviť polaróny, čo sú Rydbergove atómy obklopené oblakom elastických deformácií. Tento efekt videli v praxi a teoreticky zdôvodnili fyzici z Rakúska a USA. Článok uverejnený v Fyzické prehľadové listy, predtlač diela je k dispozícii na arXiv.org.

Keď sa pomalý elektrón pohybuje cez dielektrikum, interaguje s jeho atómami a deformuje (polarizuje) mriežku. Keď sa elektrón pohybuje, deformačná oblasť sa posúva spolu s ním a ukazuje sa, že elektrón je neustále obklopený oblakom fonónov. Navyše sa ukazuje, že výsledný má kvadratické spektrum, to znamená, že má nejakú efektívnu hmotnosť (je o niečo väčšia ako hmotnosť „obyčajnej“ elektrón-kvázičastice). Takáto kvázičastica je tzv polaron. Táto kvázičastica by sa nemala zamieňať polariton vznikajúce interakciou fotónov s elementárnymi excitáciami média (fonóny, excitóny, plazmóny, magnóny atď.).

Polaróny vznikajú nielen v dielektrikách, ale aj v kovoch, polovodičoch, iónových kryštáloch a dokonca aj vo feromagnetoch (pozri „Nagaoka bag“) a ako „jadro“ polarónu môže pôsobiť nielen elektrón, ale aj iná nabitá nehomogenita. Samozrejme, vlastnosti polarónov v rôznych materiáloch sú rôzne. Polaróny hrajú dôležitú úlohu pri vysvetľovaní vodivosti iónových kryštálov a polárnych polovodičov, prenosu spinov v organických polovodičoch a optickej absorpcie v dvojrozmerných materiáloch.

V tomto článku tím vedený Thomasom Killianom uvádza spektroskopické pozorovania Rydbergových polarónov v atómoch stroncia-84. V takýchto polarónoch funguje Rydbergov atóm ako "jadro" - atóm, v ktorom je elektrón veľmi silne excitovaný, to znamená, že je na úrovni s veľmi veľkou hodnotou hlavného kvantového čísla. . Výsledkom je, že vnútro atómu možno považovať za účinnú časticu s jediným kladným nábojom a veľkou hmotnosťou a ako celok sa atóm silne podobá na obyčajný atóm vodíka.

Najprv vedci pripravili Boseho kondenzát zachytením oblaku atómov stroncia laserovými lúčmi (optická dipólová pasca) a jeho ochladením na približne 150 nanokelvinov. Priemerná vzdialenosť medzi susednými atómami v takomto kondenzáte bola asi 80 nanometrov. Potom vedci ionizovali atómy pomocou krátkych (rádovo mikrosekundových) laserových zábleskov s vlnovou dĺžkou 689 a 319 nanometrov. V dôsledku toho sa jeden z elektrónov vo vonkajšom obale atómu stroncia preniesol z s-zapnuté orbitály p-orbitálny, a potom skočil do s- vyšší orbitál n-tá škrupina. Nakoniec vedci zmerali lineárnu odozvu Boseho kondenzátu, to znamená, že zistili, ako závisí amplitúda prechodu medzi zemným (nebudeným) a excitovaným stavom od frekvencie budenia. Výsledkom bolo zistenie, že pri nízkych frekvenciách odozva rastie v súlade s Gaussovým rozdelením (na obrázku tieňované oblasti) a keď sa dosiahne maximum, spektrum sa stáva takmer konštantným.

Závislosť lineárnej odozvy od frekvencie budenia pre rôzne hodnoty hlavného kvantového čísla n Rydbergov atóm tvoriaci polarón. Čiary znázorňujú teoreticky vypočítanú závislosť, bodky znázorňujú experimentálne údaje

F. Camargo a kol. / Phys. Rev. Lett.

Vedci tiež numericky študovali kondenzát atómov stroncia, aby vysvetlili výskyt polarónov. Zapísaním a diagonalizáciou hamiltoniánu Rydbergovho atómu umiestneného v Boseho kondenzáte je možné získať polarónové spektrum (Fröhlich Hamiltonian). Fyzici na to použili predtým vyvinutý prístup založený na výpočte funkčných determinantov (FDA). Teoreticky vypočítaná závislosť dobre vysvetlila experimentálne údaje a jej gaussovská časť zodpovedala vzniku polarónov.

Všeobecne povedané, fyzici zvyčajne pracujú s Boseho kondenzátom atómov rubídia-87 a už skôr sa v ňom autori článku pokúšali rozlíšiť polaróny. Avšak vzhľadom na vlastnosti elektrónových obalov ( -rezonancia tvaru vlny) absorpčné spektrum Rydbergových atómov rubídia silne závisí od čísla hladiny n, na ktorom sa nachádza elektrón, a to sťažuje rozpoznanie v experimentálnych dátach rezonancie zodpovedajúce polarónom. V kondenzáte atómov stroncia-84 takéto problémy nevznikajú.

Koncom minulého roka švajčiarski fyzici z Inštitútu kvantovej elektroniky v Boseovom kondenzáte atómov rubídia-87, Higgsov a Goldstoneov oscilačný režim, hoci zvyčajne je jeden z týchto režimov potlačený. K tomu kondenzát udržiavali pomocou laserových lúčov a pomocou Braggovej spektroskopie sledovali v ňom vznikajúce vzruchy.

Dmitrij Trunin