Группа ученых из исследовательского Центра изучения ультрахолодных атомов Гарварда-Массачуссетса (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms), возглавляемая профессорами Михаилом Лукиным (Mikhail Lukin) и Владэном Вулетиком (Vladan Vuletic), впервые в истории науки заставили фотоны света взаимодействовать между собой и связаться, образуя нечто молекул вещества, формирующих материю, которая до этого существовала только в теории. Данное открытие было сделано вопреки всем знаниям людей о природе света, которые накапливались в течение более чем сотни лет, и оно опровергает утверждение о том, что фотоны являются нейтральными невесомыми частицами, которые не могут взаимодействовать друг с другом.
"Поведение образованных фотонных молекул отличается от поведения света естественного происхождения и искусственного происхождения, от лучей лазерного света из которого они были сделаны" - рассказывает профессор Лукин, - "Больше всего их поведение напоминает нечто, хорошо известное нам по научной фантастике - световой меч рыцарей-джедаев из "Звездных войн"".
"Большинство свойств света, которые известны нам в настоящее время, указывают на то, что фотоны невесомы и не взаимодействуют между собой, два луча лазерного света свободно проходят друг через друга, не претерпевая никаких изменений. Но нам удалось создать специальную среду с уникальными условиями, в которой фотоны начинают взаимодействовать между собой настолько сильно, будто бы у них имеется значительная масса. Благодаря этому они объединяются в нечто, что мы назвали фотонными молекулами. Такой вид взаимодействия фотонов существовал в теории уже достаточно давно, но до нас его никто не наблюдал практически" - рассказывает Лукин, - "Конечно, не очень корректно сравнивать новую форму фотонной материи со световыми мечами. Но когда фотонные молекулы взаимодействуют между собой, они или притягиваются или отталкиваются, что проявляется на физическом плане в виде эффектов, которые мы могли видеть в поединках на световых мечах".
Для того, чтобы заставить невесомые фотоны света взаимодействовать друг с другом, ученым не пришлось обращаться к помощи Силы джедаев. Вместо этого они сделали установку, в которой был создан целый ряд уникальных условий и характеристик среды. Все началось с "накачки" вакуумной камеры газом из атомов рубидия, которые затем с помощью света лазера были охлаждены до температуры в несколько градусов выше абсолютного нуля. Затем ученые начали посылать слабые импульсы, практически единичные фотоны света другого лазера в самую гущу облака охлажденных атомов рубидия.
Фотоны света, входя в облако атомов, возбуждают эти атомы, отдавая им часть своей энергии и резко замедляя свое движение. Эта энергия передается от атома к атому со скоростью движения изначального фотона и, в конечном счете, эта энергия покидает пределы облака атомов одновременно с изначальным фотоном.
"Когда фотон покидает облако, все его характеристики остаются такими же, как и до входа в него" - рассказывает профессор Лукин, - "Подобный эффект мы наблюдаем, когда свет преломляется внутри сосуда с водой. Свет входит в воду, отдавая ей часть своей энергии, и в этот момент существует некая субстанция, состоящая из трех компонентов, света, энергии и материи. Но когда свет покидает пределы воды, он возвращается к своему изначальному состоянию. В случае со светом и облаком атомов рубидия все происходит точно также, но эффект проявляется значительно сильней, свет замедляется до более низкой скорости, отдавая большее количество энергии материи, чем это происходит в случае со светом и водой".
Когда ученые стали посылать в недра облака атомов рубидия не по одному фотону, а по несколько, они обнаружили, что эти фотоны покидали пределы облака, сгруппировавшись вместе в единое образование, в фотонную молекулу. В данном случае это происходит за счет влияния эффекта блокады Ридберга (Rydberg blockade). Этот эффект определяет, что когда один атом облака газа возбуждается за счет поступления энергии извне до какого-нибудь энергетического уровня, соседние атомы не могут быть возбуждены до такого же уровня. А на практике это означает, что когда два или больше фотонов синхронно входят в облако атомов, один из фотонов своей энергией возбуждает первый попавшийся атом, замедляя при этом свое движение. За счет блокады Ридберга второй фотон не может отдать энергию даже другим атомам и продолжает двигаться с прежней скоростью, обгоняя первый фотон. Когда второй фотон достигает зоны, свободной от влияния блокады Ридберга, он также отдает попавшемуся атому часть своей энергии и замедляет свое движение. В результате получается почти синхронное движение двух медленных фотонов и двух волн энергии, которые постоянно тянут и толкают друг друга.
"Это взаимодействие между фотонами определяется взаимодействием атомов в облаке" - рассказывает Лукин, - "Оно заставляет фотоны вести себя подобно единой молекуле, и когда фотоны покидают пределы облака, они в большинстве случаев продолжают вести себя как фотонная молекула".
Произведенный учеными эффект, основанный на взаимодействии фотонов света, безусловно, интересен и необычен. Но у него имеется несколько видов практического применения. "Многим может показаться, что мы просто играемся, одновременно раздвигая границы людских познаний" - объясняет Лукин, - "Это совсем не так, фотоны света остаются самым лучшим средством передачи квантовой информации. И одним из препятствий к разработке технологий квантовых вычислений и квантовых коммуникаций было то, что мы не могли заставить фотоны взаимодействовать друг с другом. Теперь нам удалось решить эту проблему".
В дальнейшем ученые собираются применить разработанную ими технологию для создания сложных пространственных структур, подобных кристаллам, состоящих из фотонных молекул, т.е. из чистого света. "Это позволит нам реализовать полностью нематериальную квантово-оптическую систему, содержащую фундаментальные логические элементы, которые можно использовать для обработки и хранения квантовой информации" - рассказывает Лукин, - "Конечно, для реализации этого нам кое-что придется переделать и усовершенствовать, а то, чего мы достигли сейчас, является лишь доказательством работоспособности новых физических принципов".
"Чем наше открытие может быть полезно, мы пока еще не знаем, это станет известно только в будущем. Но это - новый вид материи, точнее ее новая форма, и мы надеемся, что дальнейшие изучения свойств фотонных молекул и фотонных кристаллов укажут нам на области их практического применения".
26 сентября 2013 в 01:41Взгляд на свет в новом свете: Учёные создали невиданную форму материи. (перевод статьи)
- Tutorial
Учёные Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT - МТИ) меняют общепринятую точку зрения о свете и для этого им не пришлось лететь в другую далёкую-предалёкую галактику.
Работая с коллегами из центра Ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетcа, группа профессора физики Гарварда Михаила Лукина и профессора физики МТИ Владана Вулетича смогла заговорить фотоны, чтобы они связались вместе в форму молекулы - состояние материи прежде бывшее только в чистой теории. Работа описана в статье Nature 25 сентября.
Со слов Лукина открытие вскрывает десятилетнее общепринятое противоречие, лежащее в основе природы света. «Фотоны уже давно считались безмассовыми частицами, которые не взаимодействуют друг с другом - ведь сияние двух лучей лазера, просто проходит сквозь друг друга» - говорит он.
«Фотонные молекулы», тем не менее, ведут себя не вполне как традиционные лазеры, а в большей степени как на страницах научной фантастики - световые мечи.
«Большая часть известных свойств света происходит из того, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом, То что мы сделали - это создали особый тип среды, в которой фотоны стали взаимодействовать друг с другом так сильно, что начинают действовать так, будто у них есть масса и связываются вместе в молекулы.
Этот тип состояния фотонной связи теоретически обсуждался довольно-таки давно, но до сих пор его не наблюдали.
Не стоит проводить прямую аналогию со световыми мечами,» - добавляет Лукин. «Когда эти фотоны взаимодействуют друг с другом, они отталкиваются и отражают друг друга. Физика того, что происходит в этих молекулах похожа на то, что мы видим в кино.»
Но использовать «Силу» Лукину и его коллегам, включая Офера Фистерберга, Алексея Горшкова, Тибо Пейронэль и Чи-Ю Лянь, не представилось возможности, пришлось пользоваться набором экстремальных условий.
Исследователи начали с накачки атомов рубидия в вакуумной камере, затем лазерами охладили облако атомов до минимума, чуть выше абсолютного нуля, используя экстремально слабые импульсы лазера, они выстрелили одним фотоном в облако атомов.
«После выхода фотона из среды, он сохраняет свою идентичность,» - Лукин (Lukin). «Это похоже на эффект преломления света, который мы видим при прохождении света через стакан с водой. Свет проникает в воду и расплёскивает часть своей энергии в среде, но внутри неё он существует как свет и материя соединённые вместе, а когда выходит - продолжает быть светом. Тут примерно происходит такой же процесс, только ещё круче - свет сильно замедляется и выделяет гораздо больше энергии, чем при преломлении.»
Когда Лукин и его коллеги выпустили два фотона в облако их удивило то, что фотоны на выходе объединились в одну молекулу.
Что заставило их сформировать никогда-невиданную молекулу?
«Этот эффект называется блокада Райдберга,» - сказал Лукин, - " который описывает состояние атомов, когда атом возбуждён - соседние атомы не могут быть возбуждены в той же степени. На практике эффект обозначает, что как только два фотона входят в атомарное облако, первый возбуждает атом, но должен оказаться впереди раньше, чем второй фотон сможет возбудить соседние атомы."
В результате, с его слов, получается, что два фотона как бы тянут и толкают друг друга через облако, в то время как их энергия перекидывается от одного атома к другому.
«Это фотонное взаимодействие опосредованное атомным взаимодействием,» - говорит Лукин. «Это заставляет фотоны вести себя как молекулы и когда они выходят из среды, наиболее вероятно они сделают это вместе, а не как единичные фотоны.»
Хотя эффект и необычен для него возможно практическое применение.
«Мы это делали for fun (для развлечения), ну и потому что мы раздвигаем границы науки,» - говорит Лукин.
«Но это включается в более широкую картину того, что мы делаем, потому что фотоны остаются наилучшим возможным средством для передачи квантовой информации. Главным недостатком было то, что фотоны не взаимодействуют друг с другом.
Чтобы построить квантовый компьютер,» - объясняет он, - " исследователям нужно построить систему, которая сможет хранить квантовую информацию, и обрабатывать её с помощью операций квантовой логики.
Но проблема была в том, что квантовая логика требует взаимодействия между отдельными квантами, чтобы эти квантовые системы могли переключаться для выполнения обработки информации.
То, что мы продемонстрировали в этом процессе, позволит нам пойти дальше" - сказал профессор Гарварда Михаил Лукин.
«Прежде чем мы дойдём до практического применения квантового переключателя или преобразователя фотонной логики, мы должны усовершенствовать производительность, так что это всё ещё находится на уровне доказательства концепции, но это важный шаг.
Установленные нами здесь физические принципы являются важными. Система может быть полезна также и в классических вычислениях, для снижения потерь мощностей, которые сейчас испытывают производители чипов.
Некоторые компании, включая IBM, разрабатывали системы, основанные на оптических маршрутизаторах, которые преобразовывают световые сигналы в электрические, но у них были определённые сложности.»
Лукин также предположил, что система может в один прекрасный день быть использована даже для создания сложной трёхмерной структуры - такой как кристалл - полностью из света.
«Для чего это будет полезно, мы ещё не знаем толком, но это новое состояние вещества, поэтому мы полны надежд, что применение для него может возникнуть в процессе продолжения нашего исследования свойств этих фотонных молекул», - сказал он.
Harvard University (2013, September 25). Seeing light in a new light: Scientists create never-before-seen form of matter. ScienceDaily. Retrieved September 25, 2013, from
Текущая версия страницы пока не проверялась
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от, проверенной 9 ноября 2018; проверки требует.
Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й. Р. Ридберга) - водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней n порядка 1000). Для перевода атома из основного в возбуждённое состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 10 6 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).
Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу
Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n :
где Ry = 13,6 эВ есть постоянная Ридберга , а δ - дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n -м и (n + 1)-м уровнями энергии равна
Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
Длина волны излучения атома водорода при переходе с n ′ = 91 на n = 90 равна 3,4 см .
При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».
Когерентное управление дипольной блокадой ридберговских атомов лазерным светом делает их перспективным кандидатом для практической реализации квантового компьютера . По сообщениям научной печати, до 2009 года важный для вычислений элемент квантового компьютера двух-кубитный вентиль экспериментально не был реализован. Однако, имеются сообщения о наблюдении коллективного возбуждения и динамического взаимодействия между двумя атомами и в мезоскопических образцах.
Сильно взаимодействующие ридберговские атомы характеризуются квантовым критическим поведением, что обеспечивает фундаментальный научный интерес к ним независимо от приложений.
Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов, можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.
В 2009 году исследователями из удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.) .
Первые экспериментальные данные по ридберговским атомам в радиоастрономии были получены в 1964 году Р. С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны λ ≃ 3,4 см . Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями n ′ = 91 и n = 90 в спектре атома водорода
Щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней n порядка 1000). Для перевода атома из основного в возбуждённое состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 10 6 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).
Свойства ридберговских атомов
Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу
,где ( - диэлектрическая восприимчивость), e - заряд электрона.
Орбитальный момент в единицах ħ равен
.Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n :
Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние.
Энергия связи такого водородоподобного атома равна
,где Ry = 13.6 эВ есть постоянная Ридберга , а δ - дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n -ым и n+1 -ым уровнями энергии примерно равна
.Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
,где a B = 0.5·10 −10 м - боровский радиус , а T 1 ~ 10 −16 с .
| Главное квантовое число , | Первое возбуждённое состояние, |
Ридберговское состояние, |
|---|---|---|
| Энергия связи электрона в атоме (потенциал ионизации), эВ | ≃ 5 | ≃ 10 −5 |
| Размер атома (радиус орбиты электрона), м | ~ 10 −10 | ~ 10 −4 |
| Период обращения электрона по орбите, с | ~ 10 −16 | ~ 10 −7 |
| Естественное время жизни, с | ~ 10 −8 | ~ 1 |
Длина волны излучения атома водорода при переходе с n ′ = 91 на n = 90 равна 3,4 см
Дипольная блокада ридберговских атомов
При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».
В разреженном атомном паре расстояние между атомами, находящимся в основном состоянии, велико, и взаимодействия между атомами практически нет. Однако, при возбуждении атомов в ридберговское состояние их радиус орбиты увеличивается в и достигает величины порядка 1 мкм. В результате атомы «сближаются», взаимодействие между ними значительно увеличивается, что вызывает смещение энергии состояний атомов. К чему это приводит? Предположим, что слабым импульсом света удалось возбудить только один атом из основного в риберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной .
Направления исследования и возможные применения
Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов, можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.
Фундаментальные направления исследования:
Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения
В 2009 году исследователями из удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.) русск. .
Радиоастрономия
Первые экспериментальные данные по ридберговским атомам в радиоастрономии были получены в 1964 году Р. С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны λ ≃ 3,4 см . Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями n ′ = 91 и n = 90 в спектре атома водорода .
Примечания
Литература
- Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke К. et al. Spectroscopy of Rydberg Atoms at n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.
- Frey M. T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studies of Electron-Molecule Scattering at Microelectronvolt Energies Using Very-High-n Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, № 5. P. 810-813.
- Сороченко Р. Л., Саломонович A.E. Гигантские атомы в космосе // Природа. 1987. № 11. С. 82.
- Далгарно А. Ридберговские атомы в астрофизике // Ридберговские состояния атомов и молекул: Пер. с англ. / Под ред. Р. Стеббинса, Ф. Даннинга. М.: Мир. 1985. С. 9.
- Смирнов Б. М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.
Ссылки
- Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал , 1998, № 4, с. 64-70
- «Конденсированное ридберговское вещество» , Э. А. Маныкин, М. И. Ожован, П. П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Экзотическая молекула, существование которой до сих пор было лишь предметом теоретических споров, наконец-то получена международной группой учёных, возглавляемой Верой Бендковски (Vera Bendkowsky) из университета Штутгарта (Universität Stuttgart). Открытие является новым подкреплением квантовой теории, описывающей поведение электронов в необычных условиях.
Новая молекула была «изготовлена» из двух атомов рубидия, один из которых был обычным, а второй — ридберговским атомом . Это означает, что один из электронов его внешней оболочки находился в высоковозбуждённом состоянии.
Ридберговские атомы сами по себе — необычные объекты. Они получаются, когда на электронную оболочку действуют лазерным лучом с определённой длиной волны. Говоря упрощённо, один из электронов ридберговского атома отдаляется от ядра на расстояние намного-намного большее, чем электроны в любом другом атоме, но, однако, продолжает быть связанным с ним.
Крис Грин (Chris Greene), физик-теоретик из университета Колорадо, и ряд его коллег ещё в 1970-х годах предсказали, что между ридберговскими и нормальными атомами возможно взаимодействие с образованием молекул. Но поскольку электрон, обеспечивающий это взаимодействие, крайне отдалён от своего родительского атома, получающаяся химическая связь — необычайно слаба, так что в обычных условиях ридберговская молекула попросту не сможет существовать.
Ещё в 2000 году группа исследователей, в которую входил Крис Грин, высчитала конфигурацию двухатомной ридберговской молекулы рубидия, назвав её трилобитом из-за сходства графического представления её внешней электронной оболочки с древней тварью. На рисунке слева показан этот пространственный график, который отражает вероятность нахождения внешнего валентного электрона в той или иной точке пространства, а справа вы можете увидеть непосредственно трилобита (иллюстрация Greene, Dickinson, Sadeghpour, фото с сайта colorado.edu).
Потребовалось много лет совершенствования техники охлаждения атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы наконец стало возможным создание такой экзотической молекулы.
Именно это и проделали Бендковски и её коллеги. Вера поясняет: «Ядра атомов должны быть на правильном расстоянии друг от друга, чтобы электронные поля „нашли“ друг друга и начали взаимодействовать. Мы использовали ультрахолодное облако рубидия, в котором по мере снижения температуры атомы газа сближались всё сильнее».
При помощи лазера учёные перевели некоторые из этих атомов в ридберговское состояние. При температуре, очень близкой к нулю, это «критическое расстояние» составило около 100 нанометров.
Эта дистанция между двумя атомами, формирующими молекулу, примерно в 1000 раз больше обычной (десятки и сотни пикометров). Неудивительно, что даже при абсолютном нуле ридберговские молекулы очень нестабильны. Самая долгоживущая из полученных в опыте продержалась 18 микросекунд.
Ещё в 1934 году великий Ферми предсказал, что если один атом встретит «блуждающий» электрон, то сможет взаимодействовать с ним. Но Ферми не дошёл в этом рассуждении до образования молекулы при помощи такого рода сверхслабой связи, поясняет Грин.
Подробности опыта можно найти в