Gennem en laserstråle er polarisering af atomer mulig, så de kan blive positivt ladede på den ene side og negativt ladede på den anden. Som et resultat bliver de trukket til hinanden, hvilket skaber en unik bindingstilstand, der er væsentligt svagere end forbindelsen mellem to atomer i et specifikt molekyle, men alligevel kvantificerbar. Laserstrålen, der kan opfattes som et "molekyle" af lys og stof, giver på en måde de polariserede atomer kraft til at tiltrække hinanden.
Dette fænomen har længe været forudset teoretisk, men forskere ved University of Innsbruck og Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) kl Wien tekniske universitet har nu opnået den første måling af denne usædvanlige atomforbindelse. De skabte en meget speciel bindingstilstand mellem atomer i laboratoriet for første gang. Denne interaktion kan bruges til at manipulere meget kolde atomer og kan også påvirke, hvordan molekyler dannes i rummet.
Prof. Philipp Haslinger, hvis forskning ved Atominstitut ved TU Wien er støttet af FWF START-programmet, sagde: "I et elektrisk neutralt atom er en positivt ladet atomkerne omgivet af negativt ladede elektroner, som omgiver atomkernen meget som en sky. Hvis du nu tænder for et eksternt elektrisk felt, forskyder denne ladningsfordeling sig lidt.”
"Den positive ladning forskydes lidt i den ene retning, den negative ladning lidt i den anden retning, atomet har pludselig en positiv og en negativ side, polariseret."
At skabe en polarisationseffekt med laserlys er muligt, da lys blot er en elektromagnetisk felt der ændrer sig hurtigt. Lyset polariserer alle atomerne (når de placeres ved siden af hinanden) på samme måde - positivt til venstre og negativt til højre, eller omvendt. I begge tilfælde vender to naboatomer forskellige ladninger mod hinanden, hvilket skaber en kraft mellem dem.
Mira Maiwöger fra TU Wien, publikationens første forfatter, sagde: ”Dette er en meget svag tiltrækningskraft, så man skal eksperimentere meget omhyggeligt for at kunne måle den. Hvis atomer har meget energi og bevæger sig hurtigt, er tiltrækningskraften væk med det samme. Det er derfor, der blev brugt en sky af ultrakolde atomer."
Mira Maiwöger fra TU Wien, publikationens første forfatter, sagde: ”Dette er en meget svag tiltrækningskraft, så man skal eksperimentere meget omhyggeligt for at kunne måle den. Hvis atomer har meget energi og bevæger sig hurtigt, er tiltrækningskraften væk med det samme. Det er derfor, der blev brugt en sky af ultrakolde atomer."
Forskere brugte en teknik, hvor de først fangede og derefter afkølede atomerne i en magnetisk fælde på en atomchip. Atomerne frigives derefter i frit fald, efter at fælden er slukket. På trods af at den er "ultrakold" - med en temperatur på mindre end en milliontedel af en Kelvin - har atomskyen energi nok til at vokse i løbet af efteråret. Denne atomskyvækst bremses dog, hvis atomerne polariseres med en laserstråle i denne fase, hvilket skaber en tiltrækkende kraft mellem dem. Sådan måles tiltrækningskraften.
Matthias Sonnleitner, der lagde det teoretiske grundlag for eksperimentet, sagde: "Polarisering af individuelle atomer med laserstråler er ikke noget nyt. Det afgørende ved vores eksperiment er dog, at vi for første gang er lykkedes med flere polariserende atomer sammen på en kontrolleret måde, hvilket skaber en målbar, tiltrækkende kraft mellem dem.”
Philipp Haslinger sagde, "Denne tiltrækningskraft er et komplementært værktøj til at kontrollere kolde atomer. Men det kunne også være vigtigt i astrofysikken: I det store rum kan små kræfter spille en væsentlig rolle. Her kunne vi for første gang vise, at elektromagnetisk stråling kan generere en kraft mellem atomer, som kan være med til at kaste nyt lys over astrofysiske scenarier, der endnu ikke er blevet forklaret."
Journal Reference:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner et al. Observation af lysinducerede dipol-dipolkræfter i ultrakolde atomarter. Phys. Rev. X 12, 031018 – Udgivet 27. juli 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
