Через лазерний промінь можлива поляризація атомів, щоб вони могли стати позитивно зарядженими з одного боку та негативно зарядженими з іншого. У результаті вони притягуються один до одного, створюючи унікальний стан зв’язку, який значно слабший, ніж зв’язок між двома атомами в конкретній молекулі, але все ж піддається кількісному вимірюванню. Лазерний промінь, який можна розглядати як «молекулу» світла та речовини, певним чином надає поляризованим атомам силу притягувати один одного.
Це явище давно передбачалося теоретично, але дослідники з Інсбрукський університет та Віденський центр квантової науки та технологій (VCQ) за адресою TU Відень тепер досягли першого вимірювання цього незвичайного атомного зв’язку. Вони вперше в лабораторії створили особливий стан зв’язку між атомами. Ця взаємодія може бути використана для маніпулювання дуже холодними атомами, а також може впливати на те, як утворюються молекули в космосі.
Професор Філіп Хаслінгер, чиї дослідження в Atominstitut при TU Wien підтримуються програмою FWF START, сказав: «В електрично нейтральному атомі позитивно заряджене атомне ядро оточене негативно зарядженими електронами, які оточують атомне ядро схоже на хмару. Якщо зараз увімкнути зовнішнє електричне поле, цей розподіл заряду трохи зрушиться».
«Позитивний заряд злегка зміщується в одному напрямку, негативний заряд трохи в іншому напрямку, атом раптом має позитивну та негативну сторони, поляризовані».
Створення поляризаційного ефекту за допомогою лазерного світла можливо, оскільки світло – це просто електромагнітне поле що швидко змінюється. Світло поляризує всі атоми (якщо вони розміщені поруч один з одним) однаково: позитивно поляризує ліворуч і негативно праворуч, або навпаки. В обох випадках два сусідні атоми повертають різні заряди один до одного, створюючи між ними силу.
Міра Майвегер з TU Wien, перший автор публікації, сказала: «Це дуже слабка сила тяжіння, тому ви повинні дуже ретельно експериментувати, щоб мати можливість її виміряти. Якщо атоми мають велику енергію і швидко рухаються, сила притягання відразу зникає. Ось чому була використана хмара ультрахолодних атомів».
Міра Майвегер з TU Wien, перший автор публікації, сказала: «Це дуже слабка сила тяжіння, тому ви повинні дуже ретельно експериментувати, щоб мати можливість її виміряти. Якщо атоми мають велику енергію і швидко рухаються, сила притягання відразу зникає. Ось чому була використана хмара ультрахолодних атомів».
Вчені використали техніку, за якою вони спочатку захоплювали, а потім охолоджували атоми в магнітній пастці на атомному чіпі. Потім атоми вивільняються у вільному падінні після вимкнення пастки. Незважаючи на те, що атомна хмара є «надхолодною» — з температурою менше однієї мільйонної Кельвіна — атомна хмара має достатньо енергії, щоб рости під час падіння. Однак зростання атомної хмари сповільнюється, якщо під час цієї фази атоми поляризуються лазерним променем, створюючи між ними силу тяжіння. Так вимірюється сила тяжіння.
Матіас Зоннляйтнер, який заклав теоретичну основу для експерименту, сказав: «Поляризація окремих атомів лазерними променями не є чимось новим. Однак найважливішим у нашому експерименті є те, що нам вперше вдалося контрольовано об’єднати кілька поляризаційних атомів, створивши між ними вимірну силу притягання».
Філіп Хаслінгер сказав, «Ця сила тяжіння є додатковим інструментом для контролю холодних атомів. Але це також може бути важливим в астрофізиці: у величезному космосі малі сили можуть відігравати значну роль. Тут ми вперше змогли показати, що електромагнітне випромінювання може генерувати силу між атомами, що може допомогти пролити нове світло на астрофізичні сценарії, які ще не були пояснені».
Довідка з журналу:
- Міра Майвегер, Матіас Зоннляйтнер та ін. Спостереження індукованих світлом диполь-дипольних сил в ультрахолодних атомних газах. фіз. Преп. X 12, 031018 – Опубліковано 27 липня 2022 р. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018
