Gjennom en laserstråle er polarisering av atomer mulig slik at de kan bli positivt ladet på den ene siden og negativt ladet på den andre. Som et resultat trekkes de til hverandre, og skaper en unik bindingstilstand som er betydelig svakere enn koblingen mellom to atomer i et spesifikt molekyl, men likevel kvantifiserbar. Laserstrålen, som kan betraktes som et "molekyl" av lys og materie, gir på en måte de polariserte atomene kraften til å tiltrekke hverandre.
Dette fenomenet har lenge vært forutsett teoretisk, men forskere ved University of Innsbruck og Wiensenteret for kvantevitenskap og teknologi (VCQ) kl Vienna University of Technology har nå oppnådd den første målingen av denne uvanlige atomforbindelsen. De skapte en helt spesiell bindingstilstand mellom atomer i laboratoriet for første gang. Denne interaksjonen kan brukes til å manipulere veldig kalde atomer og kan også påvirke hvordan molekyler dannes i verdensrommet.
Prof. Philipp Haslinger, hvis forskning ved Atominstituttet ved TU Wien er støttet av FWF START-programmet, sa: "I et elektrisk nøytralt atom er en positivt ladet atomkjerne omgitt av negativt ladede elektroner, som omgir atomkjernen omtrent som en sky. Hvis du nå slår på et eksternt elektrisk felt, skifter denne ladningsfordelingen litt."
"Den positive ladningen forskyves litt i den ene retningen, den negative ladningen litt i den andre retningen, atomet har plutselig en positiv og en negativ side, polarisert."
Å skape en polarisasjonseffekt med laserlys er mulig da lys bare er en elektromagnetisk felt som endrer seg raskt. Lyset polariserer alle atomene (når de plasseres ved siden av hverandre) på samme måte - positivt til venstre og negativt til høyre, eller omvendt. I begge tilfeller vender to naboatomer forskjellige ladninger mot hverandre, og skaper en kraft mellom dem.
Mira Maiwöger fra TU Wien, publikasjonens første forfatter, sa: "Dette er en veldig svak tiltrekningskraft, så du må eksperimentere veldig nøye for å kunne måle den. Hvis atomer har mye energi og beveger seg raskt, er tiltrekningskraften borte umiddelbart. Dette er grunnen til at en sky av ultrakalde atomer ble brukt."
Mira Maiwöger fra TU Wien, publikasjonens første forfatter, sa: "Dette er en veldig svak tiltrekningskraft, så du må eksperimentere veldig nøye for å kunne måle den. Hvis atomer har mye energi og beveger seg raskt, er tiltrekningskraften borte umiddelbart. Dette er grunnen til at en sky av ultrakalde atomer ble brukt."
Forskere brukte en teknikk der de først fanget og deretter avkjølte atomene i en magnetfelle på en atombrikke. Atomene frigjøres deretter i fritt fall etter at fellen er slått av. Til tross for at den er "ultrakald" - med en temperatur på mindre enn en milliondel av en Kelvin - har atomskyen nok energi til å vokse i løpet av høsten. Imidlertid bremses denne atomskyveksten hvis atomene polariseres med en laserstråle i denne fasen, og skaper en attraktiv kraft mellom dem. Slik måles tiltrekningskraften.
Matthias Sonnleitner, som la det teoretiske grunnlaget for eksperimentet, sa: "Polarisering av individuelle atomer med laserstråler er ikke noe nytt. Det avgjørende med eksperimentet vårt er imidlertid at vi for første gang har lykkes i flere polariserende atomer sammen på en kontrollert måte, og skaper en målbar, attraktiv kraft mellom dem."
Philipp Haslinger sa, "Denne attraktive kraften er et komplementært verktøy for å kontrollere kalde atomer. Men det kan også være viktig innen astrofysikk: I verdensrommet kan små krefter spille en betydelig rolle. Her var vi i stand til å vise for første gang at elektromagnetisk stråling kan generere en kraft mellom atomer, som kan bidra til å kaste nytt lys over astrofysiske scenarier som ennå ikke er forklart."
Tidsreferanse:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner et al. Observasjon av lysinduserte dipol-dipolkrefter i ultrakalde atomgasser. Phys. Pastor X 12, 031018 – Publisert 27. juli 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
