Genom en laserstråle är polariseringen av atomer möjlig så att de kan bli positivt laddade på ena sidan och negativt laddade på den andra. Som ett resultat dras de till varandra, vilket skapar ett unikt bindningstillstånd som är betydligt svagare än länken mellan två atomer i en specifik molekyl men som ändå är kvantifierbar. Laserstrålen, som kan ses som en "molekyl" av ljus och materia, ger på sätt och vis de polariserade atomerna kraften att attrahera varandra.
Detta fenomen har länge förutsetts teoretiskt, men forskare vid University of Innsbruck och Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) kl Wiens Tekniska Universitet har nu uppnått den första mätningen av denna ovanliga atomförbindelse. De skapade ett mycket speciellt bindningstillstånd mellan atomer i laboratoriet för första gången. Denna interaktion kan användas för att manipulera mycket kalla atomer och kan också påverka hur molekyler bildas i rymden.
Prof. Philipp Haslinger, vars forskning vid Atominstitut vid TU Wien stöds av FWF START-programmet, sa: "I en elektriskt neutral atom är en positivt laddad atomkärna omgiven av negativt laddade elektroner, som omger atomkärnan ungefär som ett moln. Om du nu slår på ett externt elektriskt fält så skiftar denna laddningsfördelning en aning.”
"Den positiva laddningen förskjuts något i en riktning, den negativa laddningen något i den andra riktningen, atomen har plötsligt en positiv och en negativ sida, polariserad."
Att skapa en polarisationseffekt med laserljus är möjligt eftersom ljus bara är en elektromagnetiskt fält som förändras snabbt. Ljuset polariserar alla atomer (när de placeras bredvid varandra) på samma sätt - positivt till vänster och negativt till höger, eller vice versa. I båda fallen vänder två angränsande atomer olika laddningar mot varandra, vilket skapar en kraft mellan dem.
Mira Maiwöger från TU Wien, publikationens första författare, sa: "Det här är en mycket svag attraktionskraft, så du måste experimentera mycket noggrant för att kunna mäta den. Om atomer har mycket energi och rör sig snabbt försvinner attraktionskraften omedelbart. Det är därför ett moln av ultrakalla atomer användes."
Mira Maiwöger från TU Wien, publikationens första författare, sa: "Det här är en mycket svag attraktionskraft, så du måste experimentera mycket noggrant för att kunna mäta den. Om atomer har mycket energi och rör sig snabbt försvinner attraktionskraften omedelbart. Det är därför ett moln av ultrakalla atomer användes."
Forskare använde en teknik där de först fångade och sedan kylde atomerna i en magnetfälla på ett atomchip. Atomerna frigörs sedan i fritt fall efter att fällan stängts av. Trots att det är "ultrakallt" - med en temperatur på mindre än en miljondels Kelvin - har atommolnet tillräckligt med energi för att växa under hösten. Emellertid bromsas denna atomära molntillväxt om atomerna polariseras med en laserstråle under denna fas, vilket skapar en attraktionskraft mellan dem. Så mäts attraktionskraften.
Matthias Sonnleitner, som lade den teoretiska grunden för experimentet, sa: "Att polarisera enskilda atomer med laserstrålar är inget nytt. Det avgörande med vårt experiment är dock att vi för första gången har lyckats med flera polariserande atomer tillsammans på ett kontrollerat sätt, vilket skapar en mätbar, attraktionskraft mellan dem.”
Philipp Haslinger sade, "Denna attraktionskraft är ett kompletterande verktyg för att kontrollera kalla atomer. Men det kan också vara viktigt inom astrofysik: I rymdens storhet kan små krafter spela en betydande roll. Här kunde vi för första gången visa att elektromagnetisk strålning kan generera en kraft mellan atomer, vilket kan bidra till att kasta nytt ljus över astrofysiska scenarier som ännu inte har förklarats.”
Tidskriftsreferens:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner et al. Observation av ljusinducerade dipol-dipolkrafter i ultrakalla atomgaser. Phys. Rev. X. 12, 031018 – Publicerad 27 juli 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
