Fysikere identificerer energitilstande for individuelle atomer efter en kollision

Fysikere ved Technische Universität Kaiserslautern i teamet af professor Dr. Herwig Ott er lykkedes for første gang direkte at observere kollisioner mellem meget spændte atomer, såkaldte Rydberg-atomer, og atomer i grundtilstanden. Særligt interessant er, at de præcist kan identificere energitilstandene i de enkelte atomer, hvilket var umuligt indtil nu. Forskerne har udviklet et tilpasset mikroskop til dette formål, hvormed de var i stand til direkte at måle atomernes momenta. De observerede processer er vigtige for at forstå interstellært plasma og ultrakølede plasmaer, der genereres i laboratoriet. Undersøgelsen blev offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation .

Til deres eksperiment, fysikerne brugte en sky af rubidiumatomer, der blev afkølet i et ultrahøjt vakuum til omkring 100 mikrokelvin-0,0001 grader over det absolutte nul. Efterfølgende, de ophidsede nogle af disse atomer til en såkaldt Rydberg-tilstand ved hjælp af lasere. "I denne proces, den yderste elektron i hvert tilfælde bringes i fjerntliggende kredsløb omkring atomkroppen, "forklarer professor Herwig Ott, der forsker i ultrakølede kvantegasser og kvanteatomoptik på TU Kaiserslautern. "Elektronens orbitalradius kan være mere end en mikrometer, gør elektronskyen større end en lille bakterie. "Sådanne meget ophidsede atomer dannes også i interstellarrum og er kemisk ekstremt reaktive.

Hvis et Rydberg -atom og et atom i grundtilstanden støder sammen, sker der en såkaldt uelastisk kollision. "Det er, når atomet i grundtilstanden dykker dybt ned i kredsløbet om Rydberg -elektronen, "forklarer professor Ott. Det følgende er, at de to atomers molekylære dynamik er meget kompleks og fører til deres adskillelse, hvorved elektronens bane har ændret sig.

"I denne statsændring, både det primære kvantetal og vinkelmomentets kvantetal for elektronen kan ændre sig, "siger Philipp Geppert, der er første forfatter til undersøgelsen. Geppert forklarer yderligere, at baseret på fordelingen af ​​disse endelige tilstande, det er muligt at få ny indsigt i atomkollisionsprocesser, hvor både store og små interne nukleare afstande er vigtige.

I denne sidste tilstand, Rydberg -elektronen vender tilbage til en bane, der er tættere på atomkernen. I processen, energi frigives, som overføres i form af kinetisk energi til begge involverede atomer. På grund af bevarelsen af ​​momentum, atomerne bevæger sig fra hinanden i modsatte retninger.

Forskerne har udviklet et momentummikroskop specielt til dette eksperiment til at observere en sådan bevægelse. Grundprincippet er ganske enkelt:De neutrale atomer ioniseres med en laserpuls og rettes mod en positionsfølsom detektor ved hjælp af et svagt elektrisk felt. Slagpunktet afhænger af atomernes starthastighed og angiver dermed deres momentum. Mikroskopet er i stand til at løse de mindste hastighedsforskelle og derved gøre det muligt præcist at identificere de enkelte atomers endelige tilstande.

Denne viden hjælper med at forstå fundamentale atomprocesser i plasma. Plasma er en blanding af forskellige partikler, såsom elektroner, ioner, atomer, og molekyler. I forskning, plasma spiller en vigtig rolle, for eksempel, at studere interaktionen mellem partikler nærmere. Da det også forekommer i rummet, resultater fra laboratoriet kan være relevante for astrofysik, for eksempel for bedre at forstå, hvilke kemiske og fysiske processer der finder sted i interstellært rum.

Forskning om denne undersøgelse fandt sted inden for prioritetsprogrammet "Giant Interactions in Rydberg Systems, "som er finansieret af det tyske forskningsstiftelse. Denne forskning blev udført i OPTIMAS -profilområdet (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften - State Research Center for Optics and Materials Sciences), som har været finansieret som en del af statens forskningsinitiativ siden 2008.