Физики наконец измерили длинную теоретическую молекулу, состоящую из света и материи

Физики только что поймали свет, действующий как «клей» между атомами в своего рода слабо связанной молекуле.

«Нам впервые удалось поляризовать несколько атомов вместе контролируемым образом. , создавая измеримую силу притяжения между ними», — говорит физик из Инсбрукского университета Маттиас Зоннляйтнер.

Атомы соединяются в молекулы различными способами, и все они связаны с обменом зарядами в качестве своего рода «суперклея».

Некоторые делят свои отрицательно заряженные электроны, образуя относительно прочные связи, как простейшие газы из двух соединенных атомов кислорода, которыми мы постоянно дышим, со сложными углеводородами, плавающими в космосе. Некоторые атомы притягиваются из-за различий в их общем заряде.

Электромагнитные поля могут изменять расположение зарядов вокруг атома. Поскольку свет — это быстро меняющееся электромагнитное поле, ливень правильно направленных фотонов может подтолкнуть электроны в положения, которые — теоретически — могут привести к их соединению.

«Если вы сейчас включите внешнее электрическое поле, этот заряд распределение немного смещается», — объясняет физик Филипп Хаслингер из Венского технического университета (TU Wien).

«Положительный заряд немного смещается в одном направлении, отрицательный — в другом, атом внезапно имеет положительную и отрицательную стороны, он поляризуется».

Хаслингер, физик-атомщик Венского технического университета Мира Майвогер и ее коллеги использовали ультрахолодные атомы рубидия, чтобы продемонстрировать, что свет действительно может поляризовать атомы почти таким же образом, как и в свою очередь, делает нейтральные атомы немного липкими.

«Это очень слабая сила притяжения, поэтому нужно очень тщательно проводить эксперимент, чтобы иметь возможность ее измерить», – говорит Майвегер.

«Если атомы имеют большое энергии и движутся быстро, сила притяжения немедленно исчезает. Вот почему было использовано облако ультрахолодных атомов».

Команда поймала облако из примерно 5000 атомов под позолоченным чипом в одной плоскости с помощью магнитного поля.

Именно здесь они охладили атомы до температур, приближающихся к абсолютному нулю (-273 °C или -460 °F), образуя квазиконденсат — так что частицы рубидия начинают действовать коллективно и разделяя свойства, как будто они находятся в пятом состоянии материи, но не совсем в одинаковой степени.

Пораженные лазером, атомы испытывали различные силы. Например, радиационное давление падающих фотонов может толкать их вдоль светового луча. Между тем отклики электронов могут притягивать атом обратно к наиболее интенсивной части луча.

Чтобы обнаружить тонкое притяжение, которое, как считается, возникает между атомами в этом потоке электромагнетизма, исследователям нужно было предпринять некоторые осторожные действия. расчеты.

Когда они выключили магнитное поле, атомы свободно падали в течение примерно 44 миллисекунд, прежде чем достичь поля лазерного света, где они также были отображены с помощью световой флуоресцентной микроскопии.

Во время падения облако естественным образом расширилось, поэтому исследователи смогли провести измерения при различной плотности.

При высокой плотности Майвегер и его коллеги обнаружили, что до 18 % атомов отсутствуют. наблюдательные изображения, которые они делали. Они полагают, что это отсутствие было вызвано столкновениями при содействии света, выбрасывающими атомы рубидия из их облака.

Это продемонстрировало часть того, что происходило — это был не просто падающий свет. воздействуя на атомы, но и рассеивая свет на других атомах. Когда свет касался атомов, он придавал им полярность.

В зависимости от использованного типа света атомы либо притягивались, либо отталкивались большей интенсивностью света. Таким образом, их либо тянуло в область более низкого, либо более сильного света — в каждом случае они в конечном итоге накапливались вместе.

«Существенная разница между обычными радиационными силами и [вызванным светом] заключается в том, что последнее представляет собой эффективное взаимодействие между частицами, опосредованное рассеянным светом», — пишут Майвогер и его коллеги в своей статье.

«Оно не захватывает атомы в фиксированном положении ( например, фокус лазерного луча), но притягивает их к областям с максимальной плотностью частиц.»

Хотя эта сила, собирающая атомы, намного слабее молекулярных сил, мы более знаком с, в больших масштабах это может складываться. Это может изменить характер излучения и резонансные линии — особенности, которые астрономы используют, чтобы информировать нас о небесных объектах.

Это также может помочь объяснить, как образуются молекулы в космосе.

«На просторах космоса малые силы могут играть значительную роль», — говорит Хаслингер.

«Здесь мы впервые смогли показать, что электромагнитные излучение может создавать силу между атомами, что может помочь пролить новый свет на астрофизические сценарии, которые еще не объяснены».

Это исследование было опубликовано в Physical Review X.