Door een laserstraal is de polarisatie van atomen mogelijk zodat ze aan de ene kant positief geladen kunnen worden en aan de andere kant negatief. Als gevolg hiervan worden ze naar elkaar toe getrokken, waardoor een unieke bindingstoestand ontstaat die aanzienlijk zwakker is dan de link tussen twee atomen in een specifiek molecuul, maar toch kwantificeerbaar. De laserstraal, die kan worden gezien als een "molecuul" van licht en materie, geeft de gepolariseerde atomen in zekere zin de kracht om elkaar aan te trekken.
Dit fenomeen werd in theorie al lang verwacht, maar onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck en het Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) at Technische Universiteit Wenen hebben nu de eerste meting van deze ongebruikelijke atomaire verbinding bereikt. Ze creëerden voor het eerst een heel speciale bindingstoestand tussen atomen in het laboratorium. Deze interactie kan worden gebruikt om zeer koude atomen te manipuleren en kan ook van invloed zijn op hoe moleculen in de ruimte worden gevormd.
Prof. Philipp Haslinger, wiens onderzoek aan het Atominstitut van de TU Wien wordt ondersteund door het FWF START-programma, zei: “In een elektrisch neutraal atoom is een positief geladen atoomkern omgeven door negatief geladen elektronen, die de atoomkern net als een wolk omringen. Als je nu een extern elektrisch veld aanzet, verschuift die ladingsverdeling een beetje.”
"De positieve lading is iets verschoven in de ene richting, de negatieve lading iets in de andere richting, het atoom heeft ineens een positieve en een negatieve kant, gepolariseerd."
Het creëren van een polarisatie-effect met laserlicht is mogelijk omdat licht slechts een elektromagnetisch veld dat verandert snel. Het licht polariseert alle atomen (wanneer ze naast elkaar worden geplaatst) op dezelfde manier: positief links en negatief rechts, of omgekeerd. In beide gevallen draaien twee naburige atomen verschillende ladingen naar elkaar toe, waardoor er een kracht tussen hen ontstaat.
Mira Maiwöger van de TU Wien, de eerste auteur van de publicatie, zei: “Dit is een heel zwakke aantrekkingskracht, dus je moet heel voorzichtig experimenteren om het te kunnen meten. Als atomen veel energie hebben en snel bewegen, is de aantrekkingskracht meteen weg. Daarom werd een wolk van ultrakoude atomen gebruikt.”
Mira Maiwöger van de TU Wien, de eerste auteur van de publicatie, zei: “Dit is een heel zwakke aantrekkingskracht, dus je moet heel voorzichtig experimenteren om het te kunnen meten. Als atomen veel energie hebben en snel bewegen, is de aantrekkingskracht meteen weg. Daarom werd een wolk van ultrakoude atomen gebruikt.”
Wetenschappers gebruikten een techniek waarbij ze de atomen eerst vingen en vervolgens afkoelden in een magnetische val op een atoomchip. De atomen komen dan in vrije val vrij na het uitschakelen van de val. Ondanks dat hij "ultrakoud" is - met een temperatuur van minder dan een miljoenste Kelvin - heeft de atoomwolk genoeg energie om tijdens de herfst te groeien. Deze atoomwolkgroei wordt echter vertraagd als de atomen in deze fase worden gepolariseerd met een laserstraal, waardoor er een aantrekkingskracht tussen hen ontstaat. Zo wordt de aantrekkingskracht gemeten.
Matthias Sonnleitner, die de theoretische basis voor het experiment legde, zei: “Het polariseren van individuele atomen met laserstralen is niets nieuws. Het cruciale van ons experiment is echter dat we er voor het eerst in zijn geslaagd om meerdere polariserende atomen op een gecontroleerde manier samen te brengen, waardoor er een meetbare, aantrekkingskracht tussen hen ontstaat.”
Philippe Haslinger zei, “Deze aantrekkingskracht is een aanvullend instrument om koude atomen te beheersen. Maar het kan ook belangrijk zijn in de astrofysica: in de uitgestrektheid van de ruimte kunnen kleine krachten een belangrijke rol spelen. Hier konden we voor het eerst aantonen dat elektromagnetische straling een kracht tussen atomen kan genereren, wat kan helpen om nieuw licht te werpen op astrofysische scenario's die nog niet zijn verklaard."
Journal Reference:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner et al. Observatie van door licht geïnduceerde dipool-dipoolkrachten in ultrakoude atoomgassen. Fys. Rev. X 12, 031018 – Gepubliceerd op 27 juli 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
