Что находится внутри атома между ядром и орбитами электронов? Обычно там ничего нет. Но пытливые физики хотели понять: могут ли там поместиться, к примеру, другие атомы? Ведь если электрон будет вращаться вокруг ядра на достаточно большом расстоянии, то между ним и центром системы хватит места для других атомов. Учёные из Венского технического университета, Университета Райса и Гарвардского университета совершенно случайно нашпиговали это потенциально свободное пространство и теперь описывают результаты своего удивительного эксперимента.
Как сообщают исследователи, они создали "гигантский атом", заполненный почти обычными атомами. Все эти атомы формируют слабую связь с "главным", создавая при низких температурах новое экзотическое состояние вещества, которое физики назвали ридберговскими поляронами.
В исследовательском проекте учёных из Австралии и США были объединены два состояния вещества, которые могут изучаться только при экстремальных условиях: конденсат Бозе-Эйнштейна и ридберговские атомы.
Поясним, что конденсат Бозе-Эйнштейна образуется из атомов при ультранизких температурах, близких к абсолютному нулю. А ридберговские атомы – это атомы, в которых один электрон находится в высоковозбуждённом состоянии и вращается вокруг ядра на очень большом расстоянии.
Говоря о таких атомах, автор работы профессор Иоахим Бургдёрфер (Joachim Burgdörfer) из Венского технического университета замечает, что среднее расстояние в них между электроном и его ядром может достигать нескольких сотен нанометров, что более чем в тысячу раз превышает радиус атома водорода.
Он вместе с другим автором работы профессором Сюхэем Ёсидой (Shuhei Yoshida) из Венского технического университета на протяжении многих лет занимается изучением свойств ридберговских атомов.
Сначала физики создали конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов стронция. Затем они использовали лазер для того, чтобы передать энергию одному из этих атомов. Тем самым они превратили его в ридберговский атом.
Радиус орбиты, по которой электрон двигается вокруг ядра, был у него намного больше, чем обыкновенное расстояние между двумя атомами в конденсате. Это немало озадачило учёных, ведь электрон не только вращался вокруг своего атомного ядра на очень большом расстоянии: другие многочисленные атомы также находились внутри орбиты.
Исследователи наблюдали до 170 атомов конденсата внутри одного ридберговского атома, но это число может зависеть от радиуса ридберговского атома и плотности конденсата Бозе-Эйнштейна.
Примечательно, что другие атомы практически не влияют на траекторию ридберговского электрона. "Атомы не несут никакого электрического заряда, и потому оказывают лишь минимальное действие на электрон", — говорит Ёсида.
Тем не менее в очень малой степени электрон по-прежнему ощущает присутствие нейтральных атомов. Они оказывают на него, если можно так выразиться, слабое рассеивающее действие. При этом электрон всё же не покидает своей орбиты.
Квантовая физика медленных электронов допускает подобный вид рассеивания, который не переводит электроны в другое состояние.
Исследователи использовали компьютерное моделирование. Оно показало, что это сравнительно слабое взаимодействие уменьшает общую энергию системы, и поэтому создаётся связь между ридберговским атомом и другими атомами внутри орбиты электрона.
"Это крайне необычная ситуация. Обычно мы имеем дело с заряженными ядрами, привязывающими к ним электроны. А здесь у нас есть электрон, связывающий нейтральные атомы", — добавляет Ёсида.
Эта связь гораздо слабее, чем связь между атомами в кристалле. По этой причине такое экзотическое состояние вещества, названное ридберговскими поляронами, может быть обнаружено только при очень низких температурах. Если бы частицы двигались быстрее, то связь бы очень быстро разрушилась.
По словам Бургдёрфера, новое состояние материи является отличной возможностью для изучения физики ультрахолодных атомов.
Результаты исследования представлены в научном издании Physical Review Letters.
Конденсат Бозе-Эйнштейна вообще штука весьма занимательная. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали, как с его помощью физики впервые получили состояние вещества, предсказанное почти 50 лет назад, а также частицу, которую физики искали 80 лет, создали искусственно.
