Plan:

Uvod

• 1 Svojstva Rydbergovih atoma
  • 1.1 Dipolna blokada Rydbergovih atoma
• 2 Smjerovi istraživanja i moguće primjene
Bilješke

Uvod

Rydbergovi atomi(nazvan po J. R. Rydbergu) - atomi alkalni metali, u kojem je vanjski elektron u visoko pobuđenom stanju (do nivoa n ~ 100). Da bi se atom prebacio iz njegovog osnovnog stanja u pobuđeno stanje, on se ozrači rezonantnom laserskom svjetlošću ili se pokreće RF pražnjenje. Veličina Rydbergovog atoma je mnogo veća od veličine istog atoma u osnovnom stanju za skoro 10.000 puta za n=100 (vidi tabelu ispod).

1. Osobine Rydbergovih atoma

Elektron koji se okreće u orbiti poluprečnika r oko jezgra, prema drugom Newtonovom zakonu, ono doživljava silu:

gdje k= 1/(4πε 0), e je naboj elektrona.

Orbitalni moment u jedinicama ħ jednako:

Iz ove dvije jednadžbe dobijamo izraz za orbitalni radijus elektrona u stanju "n"

Šema laserske ekscitacije atoma rubidijuma u Rydbergovo stanje

Energija vezivanja takvog atoma sličnog vodiku je

gdje je Ry = 13,6 eV Rydbergova konstanta, i δ defekt nuklearnog naboja, koji općenito n beznačajan. Energetska razlika između n-m i n+1-th nivo energije je približno jednak

Karakteristična veličina atoma rn i tipični poluklasični period revolucije elektrona jednaki su

gdje a B = 0,5×10 −10 m je Borov radijus, i T 1 ~ 10 −16 s.

Uporedimo neke brojeve osnovnog i Rydbergovog stanja atoma vodika.

1.1. Dipolna blokada Rydbergovih atoma

Kada se atomi pobuđuju iz osnovnog stanja u Rydbergovo stanje, javlja se zanimljiv fenomen tzv. dipolna blokada. U ispražnjenoj atomskoj pari, udaljenost između atoma u osnovnom stanju je velika i praktično nema interakcije između atoma. Međutim, kada su atomi pobuđeni u Rydbergovo stanje, njihov orbitalni radijus se povećava za n 2 do ~1 µm. Kao rezultat, atomi se "približavaju", interakcija između njih se značajno povećava, što uzrokuje pomak u energiji stanja atoma. čemu ovo vodi? Pretpostavimo da samo jedan atom može biti pobuđen iz osnovnog stanja u Riebergovo stanje slabim svjetlosnim impulsom. Pokušaj da se isti nivo naseli drugim atomom postaje očigledno nemoguć zbog "dipolne blokade".

2. Pravci istraživanja i moguće primjene

Studije vezane za Rydbergova stanja atoma mogu se uvjetno podijeliti u dvije grupe: proučavanje samih atoma i korištenje njihovih svojstava u druge svrhe.

Fundamentalne oblasti istraživanja:

• Od nekoliko država sa velikim n moguće je sastaviti talasni paket, koji će biti manje-više lokalizovan u prostoru. Ako, pored toga, orbitala kvantni broj, tada dobijamo gotovo klasičnu sliku: lokalizovani elektronski oblak rotira oko jezgra za velika udaljenost Od njega.
• Ako je orbitalni moment mali, tada će kretanje takvog valnog paketa biti kvazi-jednodimenzionalni: Oblak elektrona će se udaljiti od jezgra i ponovo mu se približiti. Ovo je analog jako izdužene eliptične orbite u klasičnoj mehanici kada se kreće oko Sunca.
• Ponašanje Rydbergovog elektrona u vanjskom električnom i magnetna polja. Obični elektroni blizu jezgra uglavnom osjećaju jako elektrostatičko polje jezgra (reda 10 9 V/cm), a vanjska polja za njih igraju ulogu samo malih dodataka. Rydbergov elektron osjeća jako oslabljeno polje jezgra ( E~E0/n4), pa stoga vanjska polja mogu radikalno izobličiti kretanje elektrona.
• Atomi sa dva Rydbergova elektrona imaju interesantna svojstva, pri čemu se jedan elektron "okreće" oko jezgra na većoj udaljenosti od drugog. Takvi atomi se nazivaju planetarno.
• Prema jednoj od hipoteza, loptasta munja se sastoji od Rydbergove supstance.

Neobična svojstva Rydbergovih atoma već nalaze primjenu

• Kvantni detektori radio emisije: Rydbergovi atomi mogu registrovati čak i jedan foton u radio opsegu, što je daleko izvan mogućnosti konvencionalnih antena.
• Stepeni energetski spektar Rydbergovog elektrona služi kao "energetska ravnoteža" koja se može koristiti za precizna mjerenja energije.
• Rydbergovi atomi su također uočeni u međuzvjezdanom mediju. To su vrlo osjetljivi senzori pritiska, koje je za nas stvorila sama priroda.

Istraživači sa Univerziteta u Stuttgartu uspjeli su 2009. godine dobiti Rydbergov molekul.

Bilješke

1. W. Demtroder Laserska spektroskopija: Osnovni koncepti i instrumentacija. - Springer, 2009. - 924 str. - ISBN 354057171X
2. R. Heidemann et al. (2007). "Dokazi za koherentnu kolektivnu Rydbergovu ekscitaciju u režimu jake blokade - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601". Physical Review Letters 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120 - arxiv.org/abs/quant-ph/0701120.
3. Kohezija u loptastoj munji - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
4. membrana.ru "Prvi put u svijetu dobijen je Rydbergov molekul" - www.membrana.ru/lenta/?9250

Većina ljudi će lako nazvati tri klasična stanja materije: tečno, čvrsto i gasovito. Oni koji poznaju malo nauke dodaće plazmu ovoj trojici. Ali tokom vremena, naučnici su proširili listu mogućih stanja materije izvan ova četiri.

amorfna i čvrsta

Amorfne čvrste materije su prilično zanimljiv podskup dobro poznatog čvrstog stanja. U tipičnom čvrstom objektu, molekuli su dobro organizirani i nemaju mnogo prostora za kretanje. To daje čvrsti materijal visok viskozitet, što je mjera otpora protoka. S druge strane, tekućine imaju neorganiziranu molekularnu strukturu koja im omogućava da teku, šire se, mijenjaju oblik i poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Amorfne čvrste materije su negde između ova dva stanja. U procesu vitrifikacije, tečnosti se hlade i njihov viskozitet raste do tačke u kojoj supstanca više ne teče kao tečnost, ali njeni molekuli ostaju neuređeni i ne poprimaju kristalnu strukturu, kao obične čvrste materije.

Najčešći primjer amorfne čvrste supstance je staklo. Hiljadama godina ljudi prave staklo od silicijum dioksida. Kada staklari ohlade silicijum dioksid tečno stanje, zapravo se ne stvrdnjava kada padne ispod svoje tačke topljenja. Kako temperatura pada, viskozitet raste i čini se da je supstanca tvrđa. Međutim, njegovi molekuli i dalje ostaju neuređeni. I tada staklo postaje amorfno i čvrsto u isto vrijeme. Ovaj prijelazni proces omogućio je zanatlijama da stvore prekrasne i nadrealne staklene strukture.

Koja je funkcionalna razlika između amorfnih čvrstih materija i običnih čvrsto stanje? AT Svakodnevni život nije mnogo primetno. Čini se da je staklo savršeno čvrsto dok ga ne ispitate na molekularnom nivou. A mit da staklo teče tokom vremena ne vredi ni penija. Najčešće se ovaj mit pojačava argumentima da se staro staklo u crkvama čini debljim u donjem dijelu, ali to je zbog nesavršenosti procesa puhanja stakla u vrijeme nastanka ovih čaša. Međutim, proučavanje amorfnih čvrstih materija kao što je staklo je zanimljivo sa naučne tačke gledišta za istraživanje. fazni prelazi i molekularne strukture.

Superkritični fluidi (tečnosti)

Većina faznih prelaza se dešava na određenoj temperaturi i pritisku. Opšte je poznato da povećanje temperature na kraju pretvara tečnost u gas. Međutim, kada pritisak raste sa temperaturom, fluid pravi skok u oblast superkritičnih fluida, koji imaju svojstva i gasa i tečnosti. Na primjer, superkritični fluidi mogu proći kroz čvrste tvari kao plin, ali mogu djelovati i kao rastvarači kao tečnost. Zanimljivo je da se superkritični fluid može učiniti više poput plina ili tekućine, ovisno o kombinaciji tlaka i temperature. Ovo je omogućilo naučnicima da pronađu mnoge namjene za superkritične fluide.

Iako superkritični fluidi nisu tako česti kao amorfne čvrste materije, verovatno ste u interakciji sa njima jednako često kao i sa staklom. Pivarske kompanije vole superkritični ugljični dioksid zbog njegove sposobnosti da djeluje kao rastvarač u interakciji sa hmeljem, a kompanije za kafu ga koriste za proizvodnju bolje kafe bez kofeina. Superkritični fluidi su takođe korišćeni za efikasniju hidrolizu i da bi elektrane radile više visoke temperature. Općenito, vjerovatno koristite superkritične nusproizvode tekućine svaki dan.

degenerisani gas

Iako se amorfne čvrste tvari barem nalaze na planeti Zemlji, degenerirana materija se nalazi samo u određenim vrstama zvijezda. Degenerisani gas postoji kada je spoljni pritisak supstance određen ne temperaturom, kao na Zemlji, već kompleksom kvantni principi, posebno Paulijev princip. Zbog toga će se vanjski pritisak degenerirane materije održati čak i ako temperatura materije padne na apsolutna nula. Poznata su dva glavna tipa degenerisane materije: elektron-degenerisana i neutronsko-degenerisana materija.

Elektronski degenerirana materija postoji uglavnom u bijelim patuljcima. Formira se u jezgru zvijezde kada masa materije oko jezgra pokušava komprimirati elektrone jezgra u niže energetsko stanje. Međutim, prema Paulijevom principu, dvije identične čestice ne mogu biti u istom energetskom stanju. Dakle, čestice "odbijaju" materiju oko jezgra, stvarajući pritisak. To je moguće samo ako je masa zvijezde manja od 1,44 solarne mase. Kada zvijezda prijeđe ovu granicu (poznatu kao Chandrasekharova granica), ona jednostavno kolabira u neutronsku zvijezdu ili crnu rupu.

Kada se zvijezda sruši i postane neutronska zvijezda, više nema materiju degenerisanu elektronima, sastoji se od materije degenerisane neutronom. Budući da je neutronska zvijezda teška, elektroni se spajaju s protonima u njenom jezgru i formiraju neutrone. Slobodni neutroni (neutroni nisu vezani atomsko jezgro) imaju poluživot od 10,3 minuta. Ali u jezgru neutronske zvijezde, masa zvijezde omogućava neutronima da postoje izvan jezgra, formirajući neutronsko degeneriranu materiju.

Mogu postojati i drugi egzotični oblici degenerisane materije, uključujući čudna stvar, koji može postojati u rijetkom obliku zvijezda - kvark zvijezdama. Kvarkove zvijezde su faza između neutronske zvijezde i crne rupe, gdje su kvarkovi u jezgru nevezani i formiraju juhu slobodnih kvarkova. Još nismo uočili ovu vrstu zvijezda, ali fizičari priznaju njihovo postojanje.

Superfluidnost

Vratimo se na Zemlju da razgovaramo o superfluidima. Superfluidnost je stanje materije koje postoji u određenim izotopima helijuma, rubidijuma i litijuma, ohlađeno na skoro apsolutnu nulu. Ovo stanje je slično Bose-Einstein kondenzatu (Bose-Einstein condensate, BEC), s nekoliko razlika. Neki BEC su superfluidi, a neki superfluidi su BEC, ali nisu svi identični.

Tečni helijum je poznat po svojoj superfluidnosti. Kada se helijum ohladi na "lambda tačku" od -270 stepeni Celzijusa, dio tečnosti postaje supertečan. Ako se većina supstanci ohladi do određene tačke, privlačenje između atoma nadvladava toplotne vibracije u supstanci, omogućavajući im da formiraju čvrstu strukturu. Ali atomi helija međusobno djeluju tako slabo da mogu ostati tekući na temperaturi od gotovo apsolutne nule. Ispostavilo se da se na ovoj temperaturi karakteristike pojedinačnih atoma preklapaju, što dovodi do čudnih svojstava superfluidnosti.

Superfluidi nemaju svojstvenu viskoznost. Superfluidne supstance stavljene u epruvetu počinju da puze uz ivice epruvete, naizgled kršeći zakone gravitacije i površinski napon. Tečni helijum lako curi, jer može kliziti čak i kroz mikroskopske rupe. Superfluidnost takođe ima čudna termodinamička svojstva. U ovom stanju, supstance imaju nulu termodinamička entropija i beskonačnu toplotnu provodljivost. To znači da dvije superfluidne supstance ne mogu biti termički različite. Ako se superfluidnoj tvari doda toplina, ona će je provesti tako brzo da se formiraju toplinski valovi koji nisu karakteristični za obične tekućine.

Bose-Einstein kondenzat

Bose-Einstein kondenzat je vjerovatno jedan od najpoznatijih opskurnih oblika materije. Prvo moramo razumjeti šta su bozoni i fermioni. Fermion je čestica sa polucijelim spinom (poput elektrona) ili kompozitna čestica (poput protona). Ove čestice se pokoravaju Paulijevom principu, koji dozvoljava postojanje materije degenerisane elektronom. Bozon, međutim, ima pun cjelobrojni spin i jedan kvantno stanje može zauzeti nekoliko bozona. Bozoni uključuju sve čestice koje nose silu (kao što su fotoni), kao i neke atome, uključujući helijum-4 i druge gasove. Elementi u ovoj kategoriji poznati su kao bozonski atomi.

Tokom 1920-ih, Albert Einstein je uzeo rad indijskog fizičara Satyendra Nath Bosea da predloži nova forma stvar. Ajnštajnova originalna teorija je bila da ako ohladite određene elementarne gasove na delić stepena iznad apsolutne nule, njihove talasne funkcije će se spojiti, stvarajući jedan "superatom". Takva supstanca će pokazati kvantne efekte na makroskopskom nivou. Ali tek 1990-ih godina se pojavila tehnologija potrebna za hlađenje elemenata na ove temperature. Naučnici Eric Cornell i Carl Wiemann su 1995. godine uspjeli spojiti 2.000 atoma u Bose-Einstein kondenzat koji je bio dovoljno velik da se vidi pod mikroskopom.

Bose-Einstein kondenzati su usko povezani sa superfluidima, ali imaju i svoj skup jedinstvenih svojstava. Također je smiješno da BEC može usporiti normalnu brzinu svjetlosti. Godine 1998. naučnica sa Harvarda Lene Howe uspjela je usporiti svjetlost na 60 kilometara na sat prolaskom lasera kroz BEC uzorak u obliku cigare. U kasnijim eksperimentima, Howeova grupa je uspjela u potpunosti zaustaviti svjetlo u BEC-u isključivanjem lasera dok je svjetlost prolazila kroz uzorak. Ovi eksperimenti su otvorili novo polje komunikacije zasnovano na svjetlosti i kvantnom računarstvu.

Jan-Teller Metals

Jahn-Teller metali su najnovija beba u svijetu stanja materije, jer su ih naučnici uspjeli uspješno stvoriti tek 2015. godine. Ako eksperimente potvrde druge laboratorije, ovi metali bi mogli promijeniti svijet, jer imaju svojstva i izolatora i supravodiča.

Naučnici predvođeni hemičarem Cosmasom Prassidesom eksperimentirali su uvođenjem rubidija u strukturu molekula ugljika-60 (poznatih kao fulereni), što je dovelo do toga da fulereni poprime novi oblik. Ovaj metal je dobio ime po Jahn-Teller efektu, koji opisuje kako pritisak može promijeniti geometrijski oblik molekula u novim elektronske konfiguracije. U hemiji, pritisak se postiže ne samo stiskanjem nečega, već i dodavanjem novih atoma ili molekula u već postojeću strukturu, mijenjajući njena osnovna svojstva.

Kada je Prassidesova istraživačka grupa počela da dodaje rubidijum u molekule ugljenika-60, molekule ugljenika su se promenile iz izolatora u poluprovodnike. Međutim, zbog Jahn-Tellerovog efekta, molekuli su pokušali ostati u staroj konfiguraciji, što je stvorilo supstancu koja je pokušala biti izolator, ali je imala električna svojstva superprovodnik. Prijelaz između izolatora i supravodiča nikada nije razmatran sve dok ovi eksperimenti nisu počeli.

Interesantna stvar u vezi sa Jahn-Teller metalima je da oni postaju supraprovodnici na visokim temperaturama (-135 stepeni Celzijusa, a ne na 243,2 stepena kao obično). Ovo ih približava prihvatljivim nivoima za masovnu proizvodnju i eksperimentisanje. Ako se sve potvrdi, možda ćemo biti korak bliže stvaranju supravodiča koji rade na sobnoj temperaturi, što će zauzvrat revolucionirati mnoga područja naših života.

Fotonska materija

Dugi niz decenija verovalo se da su fotoni čestice bez mase koje ne reaguju jedna na drugu. Ipak, tokom proteklih nekoliko godina, naučnici sa MIT-a i Harvarda otkrili su nove načine da svetlost "obdare" masom - pa čak i da stvore "svetlosne molekule" koji se odbijaju jedan od drugog i vezuju zajedno. Neki su smatrali da je ovo prvi korak ka stvaranju svjetlosnog mača.

Nauka o fotonskoj materiji je malo složenija, ali je sasvim moguće shvatiti. Naučnici su počeli da stvaraju fotonsku materiju eksperimentišući sa superohlađenim gasom rubidijuma. Kada foton probije kroz plin, on se reflektira i stupa u interakciju s molekulima rubidijuma, gubi energiju i usporava. Na kraju krajeva, foton vrlo sporo izlazi iz oblaka.

Čudne stvari počinju da se dešavaju kada pošaljete dva fotona kroz gas, što stvara fenomen poznat kao Rydbergova blokada. Kada je atom pobuđen fotonom, obližnji atomi ne mogu biti pobuđeni u istoj mjeri. Pobuđeni atom je na putu fotona. Da bi atom u blizini bio pobuđen drugim fotonom, prvi foton mora proći kroz gas. Fotoni inače ne stupaju u interakciju jedni s drugima, ali kada naiđu na Rydbergovu blokadu, guraju jedni druge kroz plin, razmjenjujući energiju i međusobnu interakciju. Izvana se čini da fotoni imaju masu i djeluju kao jedan molekul, iako u stvari ostaju bez mase. Kada fotoni izađu iz plina, izgleda da se spajaju, poput molekula svjetlosti.

Praktična primjena fotonske materije je još uvijek upitna, ali će se sigurno naći. Možda čak i svetlosne mačeve.

Poremećena hiperhomogenost

Kada pokušavaju da utvrde da li je supstanca u novom stanju, naučnici posmatraju strukturu supstance kao i njena svojstva. 2003. Salvatore Torquato i Frank Stillinger sa Univerziteta Princeton predložili su novo stanje materije poznato kao neuređena hiperhomogenost. Iako ova fraza izgleda kao oksimoron, u svojoj srži ona sugerira novu vrstu materije koja izbliza izgleda neuređena, ali izdaleka superhomogena i strukturirana. Takva supstanca mora imati svojstva kristala i tečnosti. Na prvi pogled, ovo već postoji u plazmi i tečnom vodoniku, ali nedavno su naučnici otkrili prirodni primjer gde niko nije očekivao: u kokošjem oku.

Pilići imaju pet čunjeva u mrežnjači. Četiri detektuju boju, a jedan je odgovoran za nivoe svetlosti. Međutim, za razliku od ljudskog oka ili heksagonalnih očiju insekata, ovi čunjevi su razbacani nasumično, bez pravog reda. To je zato što čunjevi u oku kokoške imaju zone otuđenja oko sebe, koje ne dozvoljavaju da dva češera istog tipa budu jedan pored drugog. Zbog zone isključenja i oblika čunjeva ne mogu formirati uređene kristalne strukture(kao u čvrstim tijelima), ali kada se svi čunjevi posmatraju kao jedan, čini se da imaju visoko uređen uzorak, kao što se vidi na slikama s Princetona ispod. Stoga ove čunjeve u mrežnjači pilećeg oka možemo opisati kao tečnost pri pažljivijem pregledu i kao solidan kada se gleda izdaleka. Ovo se razlikuje od amorfnih čvrstih materija o kojima smo gore govorili, jer će ovaj ultrahomogeni materijal delovati kao tečnost, a amorfni solidan- Ne.

Naučnici još uvijek istražuju ovo novo stanje materije jer bi moglo biti i češće nego što se prvobitno mislilo. Sada naučnici sa Univerziteta Princeton pokušavaju prilagoditi takve ultrahomogene materijale kako bi stvorili samoorganizirajuće strukture i svjetlosne detektore koji reagiraju na svjetlost određenom talasnom dužinom.

String mreže

Kakvo je stanje materije svemirski vakuum? Većina ljudi ne razmišlja o tome, ali u proteklih deset godina Xiao Gang-Wen sa Massachusetts Institute of Technology i Michael Levin sa Harvarda predložili su novo stanje materije koje bi nas moglo dovesti do otkrića fundamentalnih čestica izvan elektrona. .

Put ka razvoju modela struna i mreže započeo je sredinom 90-ih, kada je grupa naučnika predložila takozvane kvazičestice, za koje se činilo da su se pojavile u eksperimentu kada su elektroni prolazili između dva poluprovodnika. Došlo je do komešanja jer su se kvazičestice ponašale kao da imaju delimični naboj, što se činilo nemogućim za fiziku tog vremena. Naučnici su analizirali podatke i sugerirali da elektron nije fundamentalna čestica svemira i da postoje fundamentalne čestice koje još nismo otkrili. Ovaj posao ih je doveo nobelova nagrada, ali se kasnije ispostavilo da se greška u eksperimentu uvukla u rezultate njihovog rada. O kvazičesticama sigurno zaboravljeno.

Ali ne sve. Wen i Levin su uzeli ideju kvazičestica kao osnovu i predložili novo stanje materije, stanje mreže struna. Glavno svojstvo takvog stanja je kvantna zapetljanost. Kao u slučaju poremećene hiperhomogenosti, ako vi blizina pogledajte supstancu mreže struna, izgledat će kao neuređena kolekcija elektrona. Ali ako je pogledate kao cijelu strukturu, vidjet ćete visoki red zbog kvantno isprepletenih svojstava elektrona. Wen i Levin su zatim proširili svoj rad kako bi pokrili druge čestice i svojstva isprepletenosti.

Nakon što su pokrenuli kompjuterske modele za novo stanje materije, Wen i Levin su otkrili da krajevi mreža struna mogu proizvesti razne subatomske čestice, uključujući legendarne "kvazičestice". Još veće iznenađenje bilo je da kada mreža struna vibrira, ona to radi u skladu s Maxwellovim jednačinama odgovornim za svjetlost. Wen i Levin su predložili da je kosmos ispunjen mrežama niza isprepletenih subatomskih čestica, a da krajevi tih mreža predstavljaju subatomske čestice koje mi promatramo. Takođe su sugerisali da tečnost strune mreže može da obezbedi postojanje svetlosti. Ako je vakuum prostora ispunjen tekućinom u obliku žice, to bi nam moglo omogućiti da spojimo svjetlost i materiju.

Sve ovo može izgledati vrlo nategnuto, ali 1972. godine (decenijama prije prijedloga o mreži sa žicama) geolozi su otkrili čudan materijal u Čileu - herbertsmithite. U ovom mineralu, elektroni formiraju trokutaste strukture koje su kontradiktorne svemu što znamo o tome kako elektroni međusobno djeluju. Pored toga, ova trokutasta struktura je bila predviđena modelom mreže struna, a naučnici su radili sa veštačkim herbertsmititom kako bi precizno potvrdili model.

Kvark-gluonska plazma

Govoreći o posljednjem stanju materije na ovoj listi, uzmite u obzir stanje koje je sve započelo: kvark-gluonsku plazmu. U ranom svemiru stanje materije se značajno razlikovalo od klasičnog. Za početak, malo pozadine.

Kvarkovi su elementarne čestice, koje nalazimo unutar hadrona (na primjer, protona i neutrona). Hadroni se sastoje od tri kvarka ili od jednog kvarka i jednog antikvarka. Kvarkovi imaju delimične naboje i zajedno ih drže gluoni, koji su čestice razmene jake nuklearne sile.

Ne vidimo slobodne kvarkove u prirodi, ali odmah nakon Velikog praska slobodni kvarkovi i gluoni postojali su milisekundu. Za to vrijeme, temperatura svemira je bila toliko visoka da su se kvarkovi i gluoni kretali gotovo brzinom svjetlosti. Tokom ovog perioda, univerzum se u potpunosti sastojao od ove vruće kvark-gluonske plazme. Nakon još jednog djelića sekunde, svemir se dovoljno ohladio da formira teške čestice poput hadrona, a kvarkovi počinju da stupaju u interakciju jedni s drugima i gluonima. Od tog trenutka počelo je formiranje nama poznatog Univerzuma, a hadroni su se počeli vezivati ​​s elektronima, stvarajući primitivne atome.

Već u modernom svemiru, naučnici su pokušali da rekreiraju kvark-gluonsku plazmu u velikim akceleratorima čestica. Tokom ovih eksperimenata, teške čestice poput hadrona sudarale su se jedna s drugom, stvarajući temperaturu na kojoj su se kvarkovi razdvojili na kratko vrijeme. U toku ovih eksperimenata naučili smo mnogo o svojstvima kvark-gluonske plazme, u kojoj nije bilo apsolutno nikakvog trenja i koja je više ličila na tečnost nego na običnu plazmu. Eksperimenti sa egzotičnim agregatnim stanjem omogućavaju nam da naučimo mnogo o tome kako i zašto je nastao naš univerzum kakav poznajemo.

15. novembar 2017 Gennady

Pogled na svijet u novom svjetlu: Naučnici su stvorili neviđen oblik materije. (prijevod članka)

• tutorial

Naučnici sa Harvarda i Tehnološkog instituta Masačusetsa (MIT - MIT) menjaju opšte prihvaćeno gledište o svetlosti i za to nisu morali da lete u drugu galaksiju daleko, daleko.
Radeći sa kolegama u Harvard-Masachusetts Centru za ultrahladne atome, grupa profesora fizike sa Harvarda Mihaila Lukina i profesora fizike MIT Vladana Vuletiča bila je u stanju da progovori fotone da se vežu i formiraju molekul, stanje materije koje je ranije bilo samo u čistoj teoriji. Rad je opisan u članku Nature od 25. septembra.

Prema Lukinu, otkriće otkriva decenijsku konvencionalnu kontradikciju koja leži u osnovi prirode svjetlosti. „O fotonima se dugo mislilo kao o česticama bez mase koje ne stupaju u interakciju jedna s drugom – na kraju krajeva, odsjaj dva laserska snopa samo prolazi jedan kroz drugi,“ kaže on.
"Fotonski molekuli", međutim, ne ponašaju se baš kao tradicionalni laseri, već više kao svjetlosni mačevi na stranicama naučne fantastike.

"Većina poznatih svojstava svjetlosti proizlazi iz činjenice da fotoni nemaju masu i da ne stupaju u interakciju jedni s drugima. Ono što smo uradili je da smo stvorili posebnu vrstu medija u kojem fotoni počinju da stupaju u interakciju jedni s drugima tako snažno da počinju da se ponašaju kao da imaju masu i da se vežu u molekule.
O ovoj vrsti fotonskog spregnutog stanja se teoretski raspravlja već neko vrijeme, ali još uvijek nije uočeno.
Ne treba praviti direktnu analogiju sa svetlosnim mačevima“, dodaje Lukin. “Kada ovi fotoni stupaju u interakciju jedni s drugima, odbijaju se i odražavaju jedni druge. Fizika onoga što se dešava u ovim molekulima slična je onome što vidimo u filmovima.”
Ali Lukin i njegove kolege, uključujući Ofera Fisterberga, Alekseja Gorškova, Tiboa Pejronela i Či-Ju Lijana, nisu imali priliku da iskoriste "Silu", morali su da iskoriste niz ekstremnih uslova.
Istraživači su započeli pumpanjem atoma rubidijuma u vakuumsku komoru, a zatim pomoću lasera za hlađenje oblaka atoma na minimum, malo iznad apsolutne nule, koristeći izuzetno slabe laserske impulse, ispalili su jedan foton u oblak atoma.
"Nakon što foton napusti medij, on zadržava svoj identitet", - Lukin. “To je slično lomu svjetlosti koji vidimo kada svjetlost prođe kroz čašu vode. Svjetlost prodire u vodu i raspršuje dio svoje energije u mediju, ali unutar nje postoji kao svjetlost i materija povezani zajedno, a kada izađe, nastavlja biti svjetlost. Ovdje se događa otprilike isti proces, samo još hladniji - svjetlost se jako usporava i oslobađa mnogo više energije nego prilikom prelamanja.

Kada su Lukin i njegove kolege ispalili dva fotona u oblak, bili su iznenađeni da su se fotoni na izlazu spojili u jedan molekul.
Šta ih je natjeralo da formiraju nikad viđeni molekul?

"Ovaj efekat se naziva Rydbergova blokada", rekao je Lukin, "što opisuje stanje atoma kada je atom pobuđen - susjedni atomi ne mogu biti uzbuđeni u istom stepenu. U praksi, efekat znači da čim dva fotona uđu u atomski oblak, prvi pobuđuje atom, ali mora biti ispred prije nego što drugi foton može pobuditi susjedne atome.
Kao rezultat, po njegovim riječima, ispada da dva fotona, takoreći, vuku i guraju jedan drugog kroz oblak, dok se njihova energija prenosi s jednog atoma na drugi.
"To je interakcija fotona posredovana atomskom interakcijom", kaže Lukin. "To čini da se fotoni ponašaju kao molekuli i kada napuste medij, vjerojatnije je da će to učiniti zajedno, a ne kao pojedinačni fotoni."
Iako je učinak neobičan, moguće su mu praktične primjene.
„Radili smo to iz zabave (zabave) i zato što pomeramo granice nauke“, kaže Lukin.
“Ali to se uklapa u širu sliku onoga što radimo jer fotoni ostaju najbolji mogući medij za prijenos kvantnih informacija. Glavni nedostatak bio je to što fotoni ne stupaju u interakciju jedni s drugima.
Da bi napravili kvantni kompjuter,” objašnjava on, “istraživači moraju izgraditi sistem koji može pohraniti kvantne informacije i obraditi ih pomoću kvantnih logičkih operacija.
Ali problem je bio u tome što kvantna logika zahtijeva interakciju između pojedinačnih kvanta kako bi se ti kvantni sistemi mogli prebaciti na obradu informacija.
Ono što smo pokazali u ovom procesu omogućiće nam da idemo dalje“, rekao je profesor sa Harvarda Mihail Lukin.

“Prije nego što dođemo do praktične primjene kvantnog prekidača ili fotonskog logičkog pretvarača, moramo poboljšati performanse, tako da je ovo još uvijek na nivou dokaza koncepta, ali ovo je važan korak.
Fizički principi koje smo ovdje uspostavili su važni. Sistem takođe može biti koristan u klasičnom računarstvu, kako bi se smanjili gubici snage koje trenutno imaju proizvođači čipova.
Neke kompanije, uključujući IBM, razvile su sisteme bazirane na optičkim ruterima koji pretvaraju svjetlosne signale u električne, ali su imale određenih poteškoća.
Lukin je takođe sugerisao da bi se sistem jednog dana mogao koristiti čak i za stvaranje složene trodimenzionalne strukture - kao što je kristal - u potpunosti od svetlosti.
"Za šta će to biti korisno još ne znamo, ali ovo je novo stanje materije, tako da smo puni nade da će se za njega možda pojaviti primjena dok nastavimo istraživanje svojstava ovih fotonskih molekula", on je rekao.

Univerzitet Harvard (2013, 25. septembar). Vidjeti svjetlost u novom svjetlu: Naučnici stvaraju nikada prije viđen oblik materije. ScienceDaily. Pristupljeno 25. septembra 2013

Alkalni metali, kod kojih je vanjski elektron u visoko pobuđenom stanju (do nivoa n oko 1000). Da bi se atom prebacio iz njegovog osnovnog stanja u pobuđeno stanje, on se ozrači rezonantnom laserskom svjetlošću ili se pokreće RF pražnjenje. Veličina Rydbergovog atoma može premašiti veličinu istog atoma u osnovnom stanju za skoro 106 puta za n = 1000 (vidi tabelu ispod).

Svojstva Rydbergovih atoma

Elektron koji se okreće u orbiti poluprečnika r oko jezgra, prema drugom Newtonovom zakonu, doživljava silu

gdje ( - dielektrična osjetljivost), e je naboj elektrona.

Orbitalni moment u jedinicama ħ jednaki

Iz ove dvije jednačine dobijamo izraz za orbitalni radijus elektrona u stanju n :

Shema laserske ekscitacije atoma rubidijuma u Rydbergovo stanje.

Energija vezivanja takvog atoma sličnog vodiku je

gdje Ry= 13,6 eV je Rydbergova konstanta, i δ - defekt nuklearnog naboja, koji u cjelini n beznačajan. Energetska razlika između n-th i n+1-th nivo energije je približno jednak

Karakteristična veličina atoma rn i tipični poluklasični period revolucije elektrona jednaki su

gdje a B= 0,5 10 −10 m je Borov radijus, i T 1 ~ 10 −16 s.

Talasna dužina emisije atoma vodika tokom prijelaza iz n′ = 91 na n = 90 jednaka 3,4 cm

Dipolna blokada Rydbergovih atoma

Kada se atomi pobuđuju iz osnovnog stanja u Rydbergovo stanje, javlja se zanimljiv fenomen koji se naziva "dipolna blokada".

U razrijeđenoj atomskoj pari, udaljenost između atoma u osnovnom stanju je velika, a interakcija između atoma praktično nema. Međutim, nakon pobuđivanja atoma u Rydbergovo stanje, njihov orbitalni radijus se povećava i dostiže vrijednost reda veličine 1 μm. Kao rezultat, atomi se "približavaju", interakcija između njih se značajno povećava, što uzrokuje pomak u energiji stanja atoma. čemu ovo vodi? Pretpostavimo da samo jedan atom može biti pobuđen iz osnovnog stanja u Riebergovo stanje slabim svjetlosnim impulsom. Pokušaj da se isti nivo naseli drugim atomom postaje očigledno nemoguć zbog "dipolne blokade".

Smjerovi istraživanja i moguće primjene

Studije vezane za Rydbergova stanja atoma mogu se uvjetno podijeliti u dvije grupe: proučavanje samih atoma i korištenje njihovih svojstava u druge svrhe.

Fundamentalne oblasti istraživanja:

Neobična svojstva Rydbergovih atoma već nalaze primjenu

Godine 2009. istraživači su uspjeli dobiti Rydbergov molekul (engleski) ruski .

radio astronomija

Prve eksperimentalne podatke o Rydbergovim atomima u radioastronomiji dobili su 1964. R. S. Sorochenko i saradnici (FIAN) na 22-metarskom radioteleskopu zrcala dizajniranom za proučavanje zračenja svemirskih objekata u centimetarskom frekvencijskom opsegu. Prilikom fokusiranja teleskopa na Omega maglinu, u spektru radio emisije koja dolazi iz ove magline, detektovana je emisiona linija na talasnoj dužini od λ ≃ 3,4 cm. Ova talasna dužina odgovara prelazu između Rydbergovih stanja n′ = 91 i n = 90 u spektru atoma vodonika.

Bilješke

Književnost

• Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Spektroskopija Rydbergovih atoma na n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987 Vol. 59. str. 26.
• Frey M. T. Hill S.B. Smith K.A. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studije raspršenja elektrona i molekula na mikroelektronvoltnim energijama korištenjem Rydbergovih atoma s vrlo visokim n // Phys. Rev. Lett. 1995 Vol. 75, br. 5. P. 810-813.
• Soročenko R. L., Salomonovič A. E. Divovski atomi u svemiru // Priroda. 1987. br. 11. S. 82.
• Dalgarno A. Rydbergovi atomi u astrofizici // Rydbergova stanja atoma i molekula: Per. sa engleskog. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir. 1985, str.
• Smirnov BM Pobuđeni atomi. Moskva: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Linkovi

• Delaunay N. B. Rydbergovi atomi // Soros Educational Journal, 1998, br. 4, str. 64-70
• "Kondenzovana Rydbergova materija", E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, članak iz časopisa "Priroda" N1, 2001.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Tim fizičara iz Centra za ultrahladne atome na Univerzitetu Harvard i Tehnološkog instituta u Masačusetsu (Harvard-MIT Centar za ultrahladne atome), predvođen našim sunarodnikom Mihailom Lukinom, došao je do dosad neviđene vrste materije.

Ova supstanca je, prema autorima studije, u suprotnosti sa idejama naučnika o prirodi svjetlosti. Fotoni se smatraju česticama bez mase koje nisu u mogućnosti da stupe u interakciju jedna s drugom. Na primjer, ako usmjerite dvije laserske zrake jedna na drugu, one će jednostavno proći bez interakcije jedna s drugom.

Ali ovoga puta, Lukin i njegov tim uspjeli su eksperimentalno opovrgnuti ovo uvjerenje. Oni su uzrokovali da čestice svjetlosti formiraju snažnu vezu jedna s drugom, pa čak i da se sastave u molekule. Ranije su takvi molekuli bili samo u teoriji.
"Fotonski molekuli se ne ponašaju kao obični laserski zraci, već kao nešto što je blisko naučnoj fantastici - na primjer svjetlosni mačevi Džedaja", kaže Lukin.
"Većina opisanih svojstava svjetlosti proizlazi iz vjerovanja da fotoni nemaju masu. Zato oni ni na koji način ne stupaju u interakciju jedni s drugima. Sve što smo uradili je da stvorimo posebno okruženje u kojem svjetlosne čestice međusobno djeluju tako snažno. da počinju da se ponašaju, kao da imaju masu, i formiraju se u molekule“, objašnjava fizičar.
U stvaranju fotonskih molekula, odnosno medija pogodnog za njihovo formiranje, Lukin i njegove kolege nisu mogli računati na Silu. Morali su provesti složen eksperiment s preciznim proračunima, ali apsolutno nevjerovatnim rezultatima.
Za početak, istraživači su stavili atome rubidijuma u vakuumsku komoru i koristili lasere za hlađenje atomskog oblaka na samo nekoliko stepeni iznad apsolutne nule. Zatim, stvarajući veoma slabe laserske impulse, naučnici su poslali jedan foton u oblak rubidijuma.
"Kada fotoni uđu u oblak hladnih atoma, njihova energija dovodi do toga da atomi pređu u pobuđeno stanje. Kao rezultat toga, svjetlosne čestice usporavaju. Fotoni se kreću kroz oblak, a energija se prenosi od atoma do atoma sve dok ne napusti medij. zajedno sa samim fotonom. Kada u ovom slučaju stanje okoline ostaje isto kakvo je bilo prije “posjete” fotona”, kaže Lukin.

Autori studije upoređuju ovaj proces sa lomom svjetlosti u čaši vode. Kada snop prodre u medij, on mu daje dio svoje energije i unutar stakla je "karika" između svjetlosti i materije. Ali kada izađe iz stakla, i dalje je lagana. Praktično isti proces odvija se iu Lukinom eksperimentu. Jedina fizička razlika je u tome što svjetlost dosta usporava i daje više energije od normalnog prelamanja u čaši vode.
U sledećoj fazi eksperimenta, naučnici su poslali dva fotona u oblak rubidijuma. Zamislite njihovo iznenađenje kada su na izlazu uhvatili dva fotona vezana u molekul. Može se nazvati jedinicom ranije nevidljive supstance. Ali koji je razlog ove veze?
Efekat je ranije teoretski opisan i naziva se Rydbergova blokada. Prema ovom modelu, kada je jedan atom pobuđen, drugi susjedni atomi ne mogu prijeći u isto pobuđeno stanje. U praksi, to znači da kada dva fotona uđu u oblak atoma, prvi foton će pobuditi atom i krenuti naprijed prije nego što drugi foton pobuđuje susjedne atome.
Rezultat je da će dva fotona gurati i povlačiti jedan drugog dok prolaze kroz oblak dok se njihova energija prenosi s jednog atoma na drugi.
"Ovo je fotonska interakcija, koja je posredovana atomskom interakcijom. Zahvaljujući tome, dva fotona će se ponašati kao jedan molekul, a ne kao dvije odvojene čestice, kada napuste medij", objašnjava Lukin.
Autori studije priznaju da su ovaj eksperiment proveli više iz zabave, kako bi testirali snagu temeljnih granica nauke. Međutim, tako neverovatno otkriće može imati mnogo praktičnih primena.

Na primjer, fotoni su optimalni nosioci kvantnih informacija, jedini problem je bila činjenica da svjetlosne čestice ne interaguju jedna s drugom. Da bi se izgradio kvantni računar, potrebno je kreirati sistem koji će skladištiti jedinice kvantnih informacija i obraditi ih pomoću kvantnih logičkih operacija.
Problem je u tome što takva logika zahtijeva interakciju između pojedinačnih kvanta na način da se sistemi prebacuju i vrše obradu informacija.
"Naš eksperiment dokazuje da je to moguće. Ali prije nego što stvorimo kvantni prekidač ili fotonsku logičku kapiju, moramo poboljšati performanse fotonskih molekula", kaže Lukin. Dakle, sadašnji rezultat je samo dokaz koncepta u praksi.
Otkriće fizičara će takođe biti korisno u proizvodnji klasičnih računara i računskih mašina. To će pomoći u rješavanju brojnih problema s gubitkom energije s kojima se suočavaju proizvođači kompjuterskih čipova.
U dalekoj budućnosti, jednog dana će Lukinovi sledbenici verovatno moći da stvore trodimenzionalnu strukturu, poput kristala, koja se u potpunosti sastoji od svetlosti.
Opis eksperimenta i zaključci naučnika mogu se naći u članku Lukina i njegovih kolega, objavljenom u časopisu Nature.