Исследователи сообщают о создании ридберговских поляронов

Что находится внутри атома между ядром и электроном? Обычно там ничего нет, но почему там не могут быть другие частицы?

Если электрон вращается вокруг ядра на большом расстоянии, между другими атомами имеется много пространства. Можно было бы создать «гигантский атом», заполненный обычными атомами. Все эти атомы образуют слабую связь, создавая новое экзотическое состояние вещества при низких температурах, называемое ридберговскими поляронами.

В настоящее время группа исследователей представила это состояние в журнале Physical Review Letters. Теоретическая работа была проведена в Вене и Гарвардском университете, эксперимент был проведен в Университете Райса в Хьюстоне.

В этом исследовательском проекте объединены два специальных поля атомной физики, которые могут быть изучены только в экстремальных условиях: конденсаты Бозе-Эйнштейна и ридберговские атомы. Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой состояние вещества, создаваемого атомами при ультрахолодных температурах, близких к абсолютному нулю. Ридберговскими атомами являются те, в которых один единственный электрон поднимается в высоковозбужденное состояние и вращается вокруг ядра на очень большом расстоянии.

«Среднее расстояние между электроном и ядром может достигать нескольких сотен нанометров, то есть превышает более чем в тысячу раз радиус  атома водорода», — говорит профессор Йоахим Бурджорфер. Вместе с профессором Шухеи Йошида (оба из TU Wien, Вена) он изучает свойства таких ридберговских атомов в течение многих лет.

Конденсат Бозе-Эйнштейна был создан атомами стронция. Используя лазер, энергия была перенесена на один из этих атомов, превратив его в ридберговский атом с огромным атомным радиусом. Радиус орбиты, в которой электрон движется вокруг ядра, намного больше, чем типичное расстояние между двумя атомами в таком конденсате. Поэтому электрон вращается вокруг своего собственного атомного ядра, а многие другие атомы тоже находятся внутри его орбиты. В зависимости от радиуса ридберговского атома и плотности бозе-эйнштейновского конденсата до 170 дополнительных атомов стронция могут быть заключены в огромную электронную орбиту.

Эти атомы оказывают минимальное влияние на путь электрона Ридберга. «Атомы не несут никакого электрического заряда, поэтому они лишь оказывают минимальную силу на электрон», — говорит Шухеи Йошида. Но в очень малой степени электрон все еще находится под влиянием присутствия нейтральных атомов вдоль его пути. Он рассеивается на нейтральных атомах, но только очень слабо, не покидая орбиты. Квантовая физика медленных электронов допускает такой вид рассеяния, который не переносит электрон в другое состояние.

Как показывает компьютерное моделирование, этот сравнительно слабый вид взаимодействия уменьшает полную энергию системы, и создается связь между ридберговским атомом и другими атомами внутри электронной орбиты. «Это очень необычная ситуация, — говорит Шухеи Йошида. «Обычно мы имеем дело с заряженными ядрами, связывающими электроны вокруг них. Здесь мы имеем нейтральные электроны и нейтральные атомы».

Эта связь намного слабее, чем связь между атомами в кристалле. Поэтому это экзотическое состояние материи, называемое ридберговскими поляронами, может быть обнаружено только при очень низких температурах. Если бы частицы двигались быстрее, связь бы ломалась. «Для нас это новое слабосвязанное состояние материи — это захватывающая новая возможность исследования физики ультрахолодных атомов», — говорит Йоахим Бургдорфер. «Таким образом, с очень высокой точностью можно исследовать свойства конденсата Бозе-Эйнштейна на очень малых масштабах».

Больше информации: F. Camargo et al, Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.083401