Міжнародна команда дослідників повідомила про успішне створення нової, екзотичної форми матерії, як досі існувала лише у теоретичних працях та головах науковців, – поляронів Рідберґа.

Суператоми з начинкою

Хід думок дослідників був приблизно наступним: якщо між ядром атома та його електроном зазвичай знаходиться чимало невикористаного простору, то чому б туди не помістити інші частинки?

Закони фізики ніби натякали, що всередині одного “велетенського атома” можна розмістити інші звичайні атоми. Для цього лише потрібно забезпечити потрібні умови.

Художнє зображення екзотичного полярона Рідберґа. Електрон (синій) обертається довкола ядра (червоний), а його орбіта охоплює цілий ряд інших атомів конденсату Бозе-Айнштайна. Джерело: TU Wien

Нещодавно команда фізиків описала цей новий стан матерії у своїй статті у журналі Physical Review Letters. Теоретичний бік роботи був опрацьований у Віденському технічному університеті (TU Wien), а експеримент провели в Університеті Райса, США.

170 атомів “всередині” іншого

Унікальний експеримент став можливим завдяки поєднанню двох специфічних галузей атомної фізики: конденсату Бозе-Айнштайна та атомів Рідберґа. Обидва зазначені явища можна дослідити лише за екстремальних фізичних умов, тому нове дослідження не стало винятком.

Конденсат Бозе-Айнштайна – це особливий стан матерії, який можна досягти охолодженням звичайних атомів до критично низьких температур, близьких до абсолютного нуля. Атоми Рідберґа також є аутсайдерами у ряду звичайних атомів, оскільки їхній електрон збуджений настільки, що обертається на дуже великій відстані від свого ядра.

“Середня відстань між електроном та його ядром може наближатись до декількох сотень нанометрів – це більш ніж у тисячу разів перевищує радіус атома водню”,

– пояснив професор Йоахім Бургдорфер, який роками вивчав властивості атомів Рідберґа разом зі своїм колегою професором Шухеєм Йошидою.

Спочатку дослідники отримали конденсат Бозе-Айнштайна з охолоджених атомів стронцію. Далі спеціальний лазерний промінь передав енергію одному з атомів, перетворивши його в атом Рідберґа з величезним атомним радіусом.

Оскільки орбіта електрона в атома Рідберґа значно перевищує середню відстань між двома атомами у конденсаті, він почав обертатися навкола власного ядра та інших атомів.

Як зазначають дослідники, в залежності від радіуса отриманого атома Рідберґа та щільності конденсату, орбіта електрона атома Рідберґа (оболонка) могла охоплювати до 170 додаткових атомів стронцію.

Фізики хитрують

Атом на сторінках шкільних підручників має досить просту модель: ядро та електрони, що обертаються довкола. Іноді його можуть змалювати складнішим, та показати не лише окремі електрони у вигляді “м’ячиків”, а й електронну оболонку – умовну напівпрозору сферу, що охоплює орбіту електрона.

Зображення атома гелію: атомне ядро показане рожевим, а електронна хмара – чорним. Ядро (праворуч зверху) у гелія-4 насправді сферично симетричне та дуже нагадує електронну хмару, хоча для більш складних ядер це не завжди так. Чорна смужка – це один ангстрем (10-10 м, або 100 пікометрів). Джерело: lumenlearning.com.

Насправді, електрони існують у квантовому світі, де панує невизначеність. Тому, якщо ми намалюємо оболонку, яка буде визначати енергетичний рівень електрона та його віддаленість від ядра, ми не зможемо позначити його розташування.

За звичайних умов один атом не може потрапити “за електронну орбіту” іншого атома через сили відштовхування між електронами. Однак атоми у бозе-конденсаті мали мінімальний вплив на рух електрона в атомі Рідберґа.

“Атоми не несли жодного електричного заряду, тож вони діяли на електрон з мінімальною силою,”

– розповів співавтор дослідження Шухей Йошида.

Звісно, віддалений електрон все ж “відчував” присутність нейтральних атомів на своєму шляху. Під час таких зустрічей відбувалось незначне розсіювання електрона, однак він не полишав своєї орбіти і не змінював свого стану.

“Це дуже незвична ситуація. Зазвичай ми маємо справу з зарядженим ядром, яке утримує електрони навколо себе. А тут ми маємо електрон, який зв’язує нейтральні атоми,”

– зазначив Йошида.

Новий стан матерії вже отримав назву “полярони Рідберґа”. І хоча зв’язки між атомами у ньому дуже нестабільні і можуть підтримуватися лише в діапазоні ультранизьких температур, фізики з захопленням чекають на нові експерименти, які б дозволили дослідити унікальну фізику ультрахолодних атомів.