Forskere måler lysets og stofs bindende tilstand for første gang

Der er for første gang skabt en særlig bindingstilstand mellem atomer i laboratoriet:Med en laserstråle kan atomer polariseres, så de er positivt ladede på den ene side og negativt ladede på den anden. Dette får dem til at tiltrække hinanden og skabe en meget speciel bindingstilstand - meget svagere end bindingen mellem to atomer i et almindeligt molekyle, men stadig målbar. Tiltrækningen kommer fra de polariserede atomer selv, men det er laserstrålen, der giver dem mulighed for at gøre det – på en måde er det et "molekyle" af lys og stof.

Teoretisk set har denne effekt været forudsagt i lang tid, men nu er det lykkedes forskere ved Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) ved TU Wien i samarbejde med universitetet i Innsbruck at måle denne eksotiske atombinding for første gang tid. Denne interaktion er nyttig til at manipulere ekstremt kolde atomer, og effekten kan også spille en rolle i dannelsen af ​​molekyler i rummet. Resultaterne er nu publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review X .

Positiv og negativ ladning

I et elektrisk neutralt atom er en positivt ladet atomkerne omgivet af negativt ladede elektroner, som omgiver atomkernen meget som en sky. "Hvis du nu tænder for et eksternt elektrisk felt, skifter denne ladningsfordeling lidt," forklarer prof. Philipp Haslinger, hvis forskning ved Atominstitut ved TU Wien er støttet af FWF START-programmet. "Den positive ladning forskydes lidt i den ene retning, den negative ladning lidt i den anden retning, atomet har pludselig en positiv og en negativ side, det er polariseret."

Lys er blot et elektromagnetisk felt, der ændrer sig meget hurtigt, så det er også muligt at skabe denne polarisationseffekt med laserlys. Når flere atomer er ved siden af ​​hinanden, polariserer laserlyset dem alle på nøjagtig samme måde - positive til venstre og negative til højre, eller omvendt. I begge tilfælde vender to naboatomer forskellige ladninger mod hinanden, hvilket fører til en tiltrækningskraft.

Eksperimenter med atomfælden

"Dette er en meget svag tiltrækningskraft, så man skal udføre eksperimentet meget omhyggeligt for at kunne måle det," siger Mira Maiwöger fra TU Wien, den første forfatter til publikationen. "Hvis atomer har meget energi og bevæger sig hurtigt, er tiltrækningskraften væk med det samme. Det er grunden til, at en sky af ultrakolde atomer blev brugt."

Atomerne bliver først fanget og afkølet i en magnetisk fælde på en atomchip, en teknik, som er udviklet på Atominstitut i gruppen af ​​prof. Jörg Schmiedmayer. Derefter slukkes fælden og frigiver atomerne i frit fald. Atomskyen er "ultrakold" på mindre end en milliontedel af en Kelvin, men den har nok energi til at udvide sig i løbet af efteråret. Men hvis atomerne polariseres med en laserstråle i denne fase, og der dermed skabes en tiltrækningskraft mellem dem, bremses denne udvidelse af atomskyen - og det er sådan, tiltrækningskraften måles.

Kvantelaboratorium og rum

"Polarisering af individuelle atomer med laserstråler er dybest set ikke noget nyt," siger Matthias Sonnleitner, der har lagt det teoretiske grundlag for eksperimentet. "Det afgørende ved vores eksperiment er dog, at det for første gang er lykkedes os at polarisere flere atomer sammen på en kontrolleret måde og skabe en målbar tiltrækningskraft mellem dem."

Denne tiltrækkende kraft er et komplementært værktøj til at kontrollere kolde atomer. Men det kunne også være vigtigt inden for astrofysik:"I det store rum kan små kræfter spille en væsentlig rolle," siger Philipp Haslinger. "Her kunne vi for første gang vise, at elektromagnetisk stråling kan generere en kraft mellem atomer, som kan være med til at kaste nyt lys over astrofysiske scenarier, der endnu ikke er blevet forklaret." + Udforsk yderligere

Skræddersyet magneto-optisk fælde giver mulighed for afkøling af indiumatomer til nær det absolutte nul