Dzięki wiązce laserowej możliwa jest polaryzacja atomów, dzięki czemu mogą one zostać naładowane dodatnio z jednej strony, a ujemnie z drugiej. W rezultacie są one przyciągane do siebie, tworząc unikalny stan wiązania, który jest znacznie słabszy niż połączenie między dwoma atomami w określonej cząsteczce, ale mimo to wymierny. Wiązka laserowa, którą można traktować jako „cząsteczkę” światła i materii, w pewnym sensie nadaje spolaryzowanym atomom moc wzajemnego przyciągania się.
Zjawisko to od dawna było przewidywane teoretycznie, ale badacze z Uniwersytet w Innsbrucku oraz Wiedeńskie Centrum Nauki i Technologii Kwantowej (VCQ) przy ul Uniwersytet Techniczny w Wiedniu osiągnęli teraz pierwszy pomiar tego niezwykłego połączenia atomowego. Po raz pierwszy stworzyli bardzo szczególny stan wiązania między atomami w laboratorium. Ta interakcja może być wykorzystana do manipulowania bardzo zimnymi atomami, a także może wpływać na sposób formowania się cząsteczek w przestrzeni.
Prof. Philipp Haslinger, którego badania w Atominstitut na TU Wien są wspierane przez program FWF START, powiedział: „W elektrycznie obojętnym atomie dodatnio naładowane jądro atomowe jest otoczone przez ujemnie naładowane elektrony, które otaczają jądro atomowe podobnie jak chmura. Jeśli teraz włączysz zewnętrzne pole elektryczne, rozkład ładunku nieco się zmieni”.
„Ładunek dodatni jest lekko przesunięty w jednym kierunku, ładunek ujemny nieco w drugim, atom nagle ma dodatnią i ujemną stronę, spolaryzowane”.
Tworzenie efektu polaryzacji za pomocą światła laserowego jest możliwe, ponieważ światło to tylko element pole elektromagnetyczne to szybko się zmienia. Światło polaryzuje wszystkie atomy (umieszczone obok siebie) w ten sam sposób - dodatnie po lewej i ujemne po prawej lub odwrotnie. W obu przypadkach dwa sąsiednie atomy zwracają do siebie różne ładunki, tworząc między nimi siłę.
Mira Maiwöger z TU Wien, pierwsza autorka publikacji, powiedziała: „To bardzo słaba siła przyciągania, więc trzeba bardzo ostrożnie eksperymentować, aby móc ją zmierzyć. Jeśli atomy mają dużo energii i poruszają się szybko, siła przyciągania natychmiast znika. Dlatego użyto chmury ultrazimnych atomów”.
Mira Maiwöger z TU Wien, pierwsza autorka publikacji, powiedziała: „To bardzo słaba siła przyciągania, więc trzeba bardzo ostrożnie eksperymentować, aby móc ją zmierzyć. Jeśli atomy mają dużo energii i poruszają się szybko, siła przyciągania natychmiast znika. Dlatego użyto chmury ultrazimnych atomów”.
Naukowcy zastosowali technikę, w której najpierw wychwycili, a następnie schłodzili atomy w magnetycznej pułapce na chipie atomowym. Atomy są następnie uwalniane w swobodnym spadku po wyłączeniu pułapki. Pomimo tego, że jest „ultrazimna” – z temperaturą poniżej jednej milionowej kelwina – chmura atomowa ma wystarczająco dużo energii, aby rosnąć jesienią. Jednak ten wzrost chmury atomowej jest spowolniony, jeśli atomy są spolaryzowane wiązką laserową podczas tej fazy, tworząc między nimi przyciągającą siłę. W ten sposób mierzona jest siła przyciągania.
Matthias Sonnleitner, który położył teoretyczne podstawy eksperymentu, powiedział: „Polaryzacja pojedynczych atomów wiązką laserową nie jest niczym nowym. Kluczową rzeczą w naszym eksperymencie jest jednak to, że po raz pierwszy udało nam się połączyć kilka polaryzujących atomów w kontrolowany sposób, tworząc między nimi mierzalną, przyciągającą siłę”.
Filipa Haslingera powiedziany, „Ta siła przyciągania jest uzupełniającym narzędziem do kontrolowania zimnych atomów. Ale może to być również ważne w astrofizyce: w ogromie kosmosu małe siły mogą odgrywać znaczącą rolę. Tutaj byliśmy w stanie po raz pierwszy wykazać, że promieniowanie elektromagnetyczne może generować siłę między atomami, co może pomóc rzucić nowe światło na scenariusze astrofizyczne, które nie zostały jeszcze wyjaśnione”.
Referencje czasopisma:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner i in. Obserwacja indukowanych światłem sił dipol-dipol w ultrazimnych gazach atomowych. Fiz. Rev. X 12, 031018 – Opublikowany 27 lipca 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
