Plan:

giriiş

• 1 Rydberg atomlarının özellikleri
  • 1.1 Rydberg atomlarının dipol blokajı
• 2 Araştırma yönergeleri ve olası uygulamalar
Notlar

giriiş

Rydberg atomları(J. R. Rydberg'den sonra adlandırılmıştır) - atomlar alkali metaller dış elektronun oldukça heyecanlı bir durumda olduğu (seviyelere kadar) n ~ 100). Bir atomu temel durumundan uyarılmış bir duruma aktarmak için rezonant lazer ışığı ile ışınlanır veya bir RF deşarjı başlatılır. Rydberg atomunun boyutu, aynı atomun temel durumdaki boyutundan n=100 için neredeyse 10.000 kat daha büyüktür (aşağıdaki tabloya bakın).

1. Rydberg atomlarının özellikleri

Yarıçaplı bir yörüngede dönen elektron r Newton'un ikinci yasasına göre çekirdeğin etrafında bir kuvvete maruz kalır:

nerede k= 1/(4πε 0), e elektronun yüküdür.

Birimlerde yörünge momenti ħ eşittir:

Bu iki denklemden, "n" durumundaki bir elektronun yörünge yarıçapı için bir ifade elde ederiz.

Bir rubidyum atomunun Rydberg durumuna lazerle uyarılması şeması

Böyle bir hidrojen benzeri atomun bağlanma enerjisi,

burada Ry = 13.6 eV, Rydberg sabitidir ve δ nükleer yük kusuru, büyük ölçüde nönemsiz. arasındaki enerji farkı n-m ve n+1-th enerji seviyeleri yaklaşık olarak eşittir

Bir atomun karakteristik boyutu rn ve tipik yarı-klasik elektron devri periyodu eşittir

nerede a B = 0,5×10 −10 m Bohr yarıçapıdır ve T 1 ~ 10 -16 sn.

Hidrojen atomunun zemin ve Rydberg durumlarının bazı sayılarını karşılaştıralım.

1.1. Rydberg atomlarının dipol blokajı

Atomlar temel durumdan Rydberg durumuna uyarıldığında, ilginç bir olay meydana gelir. dipol blokajı. Boşaltılan bir atomik buharda, temel durumdaki atomlar arasındaki mesafe büyüktür ve atomlar arasında pratik olarak hiçbir etkileşim yoktur. Bununla birlikte, atomlar Rydberg durumuna uyarıldığında yörünge yarıçapları artar. n 2 ~1 µm'ye kadar. Sonuç olarak, atomlar "yaklaşır", aralarındaki etkileşim önemli ölçüde artar, bu da atomların durumlarının enerjisinde bir kaymaya neden olur. Bu neye yol açar? Zayıf bir ışık darbesiyle sadece bir atomun temel durumdan Rieberg durumuna uyarılabileceğini varsayalım. Aynı seviyeyi başka bir atomla doldurma girişimi, "dipol blokajı" nedeniyle açıkça imkansız hale gelir.

2. Araştırma yönergeleri ve olası uygulamalar

Atomların Rydberg durumları ile ilgili çalışmalar şartlı olarak iki gruba ayrılabilir: atomların kendilerinin incelenmesi ve özelliklerinin başka amaçlar için kullanılması.

Temel araştırma alanları:

• büyük olan birkaç eyaletten n uzayda az çok lokalize olacak bir dalga paketi oluşturmak mümkündür. Buna ek olarak, yörünge kuantum sayısı, sonra neredeyse klasik bir resim elde ederiz: lokalize bir elektron bulutu çekirdeğin etrafında döner. uzun mesafe Ondan.
• Yörünge momentumu küçükse, böyle bir dalga paketinin hareketi yarı-tek boyutlu: Elektron bulutu çekirdekten uzaklaşacak ve tekrar ona yaklaşacaktır. Bu, Güneş'in etrafında hareket ederken klasik mekanikte oldukça uzun bir eliptik yörüngenin bir analogudur.
• Rydberg elektronunun harici elektrikteki davranışı ve manyetik alanlar. Çekirdeğe yakın olan sıradan elektronlar, çoğunlukla çekirdeğin güçlü elektrostatik alanını hissederler (sırasıyla 10 9 V/cm) ve onlar için dış alanlar yalnızca küçük eklemelerin rolünü oynar. Rydberg elektronu, çekirdeğin kuvvetle zayıflamış bir alanını hisseder ( E~E0/n4) ve bu nedenle dış alanlar bir elektronun hareketini kökten bozabilir.
• İki Rydberg elektronuna sahip atomlar, bir elektronun çekirdeğin etrafında diğerinden daha büyük bir mesafede "dönmesi" ile ilginç özelliklere sahiptir. Böyle atomlara denir gezegensel.
• Hipotezlerden birine göre yıldırım topu Rydberg maddesinden oluşur.

Rydberg atomlarının sıra dışı özellikleri şimdiden uygulama buluyor

• Radyo emisyonunun kuantum dedektörleri: Rydberg atomları, geleneksel antenlerin yeteneklerinin çok ötesinde olan radyo aralığında tek bir fotonu bile kaydedebilir.
• Bir Rydberg elektronunun kademeli enerji spektrumu, doğru enerji ölçümleri için kullanılabilen bir "enerji dengesi" görevi görür.
• Rydberg atomları da yıldızlararası ortamda gözlenir. Onlar bizim için doğanın kendisi tarafından yaratılmış çok hassas basınç sensörleridir.

2009 yılında Stuttgart Üniversitesi'nden araştırmacılar Rydberg molekülünü elde etmeyi başardılar.

Notlar

1. W. Demtroder Lazer Spektroskopisi: Temel Kavramlar ve Enstrümantasyon. - Springer, 2009. - 924 s. -ISBN 354057171X
2. R. Heidemann ve ark. (2007). "Güçlü Abluka Rejiminde Tutarlı Kolektif Rydberg Uyarılması İçin Kanıt - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601". Fiziksel İnceleme Mektupları 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. Yıldırım topunda uyum - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/283_1.html
4. membrana.ru "Dünyada ilk kez Rydberg molekülü elde edildi" - www.membrana.ru/lenta/?9250

Çoğu insan maddenin üç klasik halini kolayca adlandırır: sıvı, katı ve gaz. Biraz bilim bilenler bu üçüne plazmayı da ekleyecektir. Ancak zamanla, bilim adamları maddenin olası durumlarının listesini bu dördünün ötesine genişletti.

amorf ve katı

Amorf katılar, iyi bilinen katı halin oldukça ilginç bir alt kümesidir. Tipik bir katı nesnede, moleküller iyi organize edilmiştir ve hareket edecek fazla alanı yoktur. Bu, katıya akış direncinin bir ölçüsü olan yüksek bir viskozite verir. Sıvılar ise akmalarına, yayılmalarına, şekil değiştirmelerine ve bulundukları kabın şeklini almalarına izin veren düzensiz bir moleküler yapıya sahiptir. Amorf katılar bu iki durum arasında bir yerdedir. Vitrifikasyon sürecinde sıvılar soğur ve viskoziteleri, maddenin artık bir sıvı gibi akmadığı, ancak moleküllerinin düzensiz kaldığı ve sıradan katılar gibi kristal bir yapı almadığı noktaya kadar artar.

Amorf bir katının en yaygın örneği camdır. Binlerce yıldır insanlar silikon dioksitten cam yapıyorlar. Cam üreticileri silikayı sıvı hal, erime noktasının altına düştüğünde aslında katılaşmaz. Sıcaklık düştükçe viskozite artar ve madde daha sert görünür. Bununla birlikte, molekülleri hala düzensiz kalır. Ve sonra cam aynı anda hem şekilsiz hem de katı hale gelir. Bu geçiş süreci, zanaatkarların güzel ve gerçeküstü cam yapılar yaratmasına izin verdi.

Amorf katılar ve sıradan arasındaki fonksiyonel fark nedir? katı hal? AT Gündelik Yaşamçok dikkat çekici değil. Moleküler düzeyde incelenene kadar cam tamamen katı görünüyor. Ve camın zamanla aktığı efsanesi bir kuruş bile etmez. Çoğu zaman, bu efsane, kiliselerdeki eski camın alt kısımda daha kalın göründüğü argümanlarıyla pekiştirilir, ancak bunun nedeni, bu camların oluşturulduğu sırada cam üfleme işleminin kusurlu olmasıdır. Bununla birlikte, cam gibi amorf katıları incelemek, araştırma için bilimsel bir bakış açısıyla ilginçtir. faz geçişleri ve moleküler yapı.

Süper kritik akışkanlar (akışkanlar)

Çoğu faz geçişi belirli bir sıcaklık ve basınçta gerçekleşir. Sıcaklıktaki bir artışın sonunda bir sıvıyı gaza dönüştürdüğü yaygın bir bilgidir. Bununla birlikte, basınç sıcaklıkla arttığında, sıvı, hem gaz hem de sıvı özelliklerine sahip olan süper kritik akışkanlar alanına sıçrar. Örneğin, süper kritik akışkanlar katılardan gaz olarak geçebilir, ancak sıvı olarak çözücü olarak da hareket edebilir. İlginç bir şekilde, bir süper kritik akışkan, basınç ve sıcaklığın kombinasyonuna bağlı olarak daha çok bir gaz veya sıvı gibi yapılabilir. Bu, bilim adamlarının süper kritik akışkanlar için birçok kullanım bulmasına izin verdi.

Süper kritik akışkanlar amorf katılar kadar yaygın olmasa da, muhtemelen onlarla camla etkileşime girdiğiniz kadar sık ​​etkileşime girersiniz. Süper kritik karbon dioksit, şerbetçiotu ile etkileşime girdiğinde çözücü olarak hareket etme kabiliyeti nedeniyle bira şirketleri tarafından sevilir ve kahve şirketleri onu daha iyi kafeinsiz kahve üretmek için kullanır. Süper kritik akışkanlar ayrıca daha verimli hidroliz için ve enerji santrallerinin daha yüksek hızda çalışmasını sağlamak için kullanılmıştır. yüksek sıcaklıklar. Genel olarak, muhtemelen her gün süper kritik akışkan yan ürünleri kullanıyorsunuz.

dejenere gaz

Amorf katılar en azından Dünya gezegeninde bulunsa da, dejenere madde yalnızca belirli yıldız türlerinde bulunur. Dejenere bir gaz, bir maddenin dış basıncı, Dünya'daki gibi sıcaklıkla değil, kompleks tarafından belirlendiğinde var olur. kuantum ilkeleri, özellikle Pauli ilkesi. Bu nedenle, dejenere olmuş maddenin dış basıncı maddenin sıcaklığı düşse bile korunacaktır. tamamen sıfır. İki ana dejenere madde türü bilinmektedir: elektron dejenere ve nötron dejenere madde.

Elektronik olarak yozlaşmış madde esas olarak beyaz cücelerde bulunur. Bir yıldızın çekirdeğinde, çekirdeğin etrafındaki madde kütlesi çekirdeğin elektronlarını daha düşük bir enerji durumuna sıkıştırmaya çalıştığında oluşur. Ancak Pauli ilkesine göre iki özdeş parçacık aynı enerji durumunda olamaz. Böylece parçacıklar, çekirdeğin etrafındaki maddeyi "iter" ve basınç yaratır. Bu, ancak yıldızın kütlesi 1,44 güneş kütlesinden az ise mümkündür. Bir yıldız bu sınırı (Chandrasekhar sınırı olarak bilinir) aştığında, basitçe bir nötron yıldızına veya kara deliğe çöker.

Bir yıldız çöktüğünde ve olduğunda nötron yıldızı artık elektron-dejenere maddeye sahip değildir, nötron-dejenere maddeden oluşur. Bir nötron yıldızı ağır olduğu için elektronlar çekirdeğindeki protonlarla birleşerek nötronları oluşturur. Serbest nötronlar (nötronlar bağlı değildir atom çekirdeği) 10.3 dakikalık bir yarı ömre sahiptir. Ancak bir nötron yıldızının çekirdeğinde, yıldızın kütlesi, nötronların çekirdeklerin dışında var olmasına ve nötron-dejenere madde oluşturmasına izin verir.

Dejenere maddenin diğer egzotik formları da mevcut olabilir. garip mesele, nadir bir yıldız biçiminde var olabilir - kuark yıldızları. Kuark yıldızları, nötron yıldızı ile kara delik arasındaki, çekirdekteki kuarkların bağlanmadığı ve bir serbest kuark çorbası oluşturduğu aşamadır. Bu tür bir yıldızı henüz gözlemlemedik, ancak fizikçiler varlıklarını kabul ediyorlar.

aşırı akışkanlık

Süperakışkanları tartışmak için Dünya'ya geri dönelim. Süperakışkanlık, helyum, rubidyum ve lityumun belirli izotoplarında var olan ve mutlak sıfıra yakın soğutulmuş bir madde durumudur. Bu durum, birkaç farklılık dışında Bose-Einstein yoğuşmasına (Bose-Einstein yoğuşması, BEC) benzer. Bazı BEC'ler süperakışkandır ve bazı süperakışkanlar BEC'lerdir, ancak hepsi aynı değildir.

Sıvı helyum, aşırı akışkanlığı ile bilinir. Helyum -270 santigrat derece "lambda noktası"na soğutulduğunda, sıvının bir kısmı aşırı akışkan hale gelir. Çoğu madde belirli bir noktaya soğutulursa, atomlar arasındaki çekim, maddedeki termal titreşimleri yenerek katı bir yapı oluşturmalarını sağlar. Ancak helyum atomları birbirleriyle o kadar zayıf etkileşirler ki, neredeyse mutlak sıfır sıcaklığında sıvı kalabilirler. Bu sıcaklıkta, tek tek atomların özelliklerinin örtüştüğü ve süper akışkanlığın garip özelliklerine yol açtığı ortaya çıktı.

Süperakışkanların içsel viskozitesi yoktur. Bir test tüpüne yerleştirilen süperakışkan maddeler, görünüşte yerçekimi yasalarını ihlal ederek test tüpünün kenarlarından yukarı doğru sürünmeye başlar ve yüzey gerilimi. Sıvı helyum, mikroskobik deliklerden bile kayabileceği için kolayca sızar. Süperakışkanlık ayrıca garip termodinamik özelliklere sahiptir. Bu durumda maddeler sıfırdır. termodinamik entropi ve sonsuz termal iletkenlik. Bu, iki süperakışkan maddenin termal olarak farklı olamayacağı anlamına gelir. Bir süperakışkan maddeye ısı eklenirse, onu o kadar hızlı iletir ki, sıradan sıvıların özelliği olmayan termal dalgalar oluşur.

Bose-Einstein yoğuşması

Bose-Einstein yoğuşması, muhtemelen maddenin en ünlü belirsiz formlarından biridir. İlk olarak, bozonların ve fermiyonların ne olduğunu anlamamız gerekir. Bir fermiyon, yarım tamsayı spinli (bir elektron gibi) veya kompozit bir parçacık (proton gibi) olan bir parçacıktır. Bu parçacıklar, elektron-dejenere maddenin varlığına izin veren Pauli ilkesine uyar. Ancak bozonun tam bir tamsayı dönüşü vardır ve bir kuantum hali birkaç bozonu işgal edebilir. Bozonlar, herhangi bir kuvvet taşıyan parçacıkları (fotonlar gibi) ve helyum-4 ve diğer gazlar dahil bazı atomları içerir. Bu kategorideki elementler bozonik atomlar olarak bilinir.

1920'lerde Albert Einstein, Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose'un çalışmasını aldı. yeni formÖnemli olmak. Einstein'ın orijinal teorisi, belirli temel gazları mutlak sıfırın üzerinde bir dereceye kadar soğutursanız, dalga fonksiyonlarının birleşerek bir "süper atom" yaratacağıydı. Böyle bir madde, makroskopik düzeyde kuantum etkileri sergileyecektir. Ancak 1990'lara kadar elementleri bu sıcaklıklara soğutmak için gereken teknoloji ortaya çıkmadı. 1995 yılında, bilim adamları Eric Cornell ve Carl Wiemann, mikroskop altında görülebilecek kadar büyük bir Bose-Einstein kondensatına 2.000 atomu kaynaştırmayı başardılar.

Bose-Einstein kondensatları, süperakışkanlarla yakından ilişkilidir, ancak aynı zamanda kendi benzersiz özelliklere de sahiptir. BEC'nin normal ışık hızını yavaşlatabilmesi de komik. 1998'de Harvard'lı bilim adamı Lene Howe, puro şeklindeki bir BEC örneğinden bir lazer geçirerek ışığı saatte 60 kilometreye kadar yavaşlatmayı başardı. Daha sonraki deneylerde, Howe'un grubu, ışık numuneden geçerken lazeri kapatarak BEC'deki ışığı tamamen durdurmayı başardı. Bu deneyler, ışık ve kuantum hesaplamaya dayalı yeni bir iletişim alanı açtı.

Jan-Teller Metaller

Jahn-Teller metalleri, bilim adamları onları yalnızca 2015 yılında ilk kez başarılı bir şekilde oluşturabildikleri için, maddenin halleri dünyasının en yeni bebeğidir. Deneyler diğer laboratuvarlar tarafından doğrulanırsa, bu metaller hem yalıtkan hem de süper iletken özelliklerine sahip oldukları için dünyayı değiştirebilirler.

Kimyager Cosmas Prassides liderliğindeki bilim adamları, fullerenlerin yeni bir form almasına yol açan karbon-60 moleküllerinin (genellikle fullerenler olarak bilinir) yapısına rubidyum ekleyerek deneyler yaptılar. Bu metale, basıncın moleküllerin geometrik şeklini nasıl değiştirebileceğini açıklayan Jahn-Teller etkisi denir. elektronik konfigürasyonlar. Kimyada basınç, sadece bir şeyi sıkmakla değil, aynı zamanda önceden var olan bir yapıya yeni atomlar veya moleküller ekleyerek, temel özelliklerini değiştirerek elde edilir.

Prassides'in araştırma grubu karbon-60 moleküllerine rubidyum eklemeye başladığında, karbon molekülleri yalıtkanlardan yarı iletkenlere dönüştü. Bununla birlikte, Jahn-Teller etkisi nedeniyle, moleküller eski konfigürasyonda kalmaya çalıştılar, bu da yalıtkan olmaya çalışan bir maddeyi yarattı, ancak elektriksel özellikler süper iletken. Bir yalıtkan ile bir süperiletken arasındaki geçiş, bu deneyler başlayana kadar asla düşünülmedi.

Jahn-Teller metalleriyle ilgili ilginç olan şey, yüksek sıcaklıklarda (-135 santigrat derece, her zamanki gibi 243.2 derece değil) süper iletken olmalarıdır. Bu, onları seri üretim ve deney için kabul edilebilir seviyelere yaklaştırır. Her şey doğrulanırsa, belki de oda sıcaklığında çalışan süper iletkenler yaratmaya bir adım daha yaklaşmış olacağız ve bu da hayatımızın birçok alanında devrim yaratacak.

fotonik madde

Uzun yıllar boyunca fotonların, birbirleriyle etkileşime girmeyen kütlesiz parçacıklar olduğuna inanılıyordu. Yine de geçtiğimiz birkaç yılda, MIT ve Harvard'daki bilim adamları, ışığı kütleyle "bağlamanın" ve hatta birbirinden sıçrayan ve birbirine bağlanan "hafif moleküller" yaratmanın yeni yollarını keşfettiler. Bazıları bunun bir ışın kılıcı yaratmanın ilk adımı olduğunu hissetti.

Fotonik madde bilimi biraz daha karmaşıktır, ancak onu anlamak oldukça mümkündür. Bilim adamları, aşırı soğutulmuş rubidyum gazı ile deneyler yaparak fotonik madde oluşturmaya başladılar. Bir foton gazın içinden geçtiğinde yansıtılır ve rubidyum molekülleri ile etkileşime girerek enerji kaybeder ve yavaşlar. Sonuçta, foton buluttan çok yavaş çıkar.

Bir gaz aracılığıyla iki foton gönderdiğinizde, Rydberg ablukası olarak bilinen bir fenomen yaratan garip şeyler olmaya başlar. Bir atom bir foton tarafından uyarıldığında, yakındaki atomlar aynı ölçüde uyarılamaz. Uyarılmış atom fotonun yolundadır. Yakındaki bir atomun ikinci bir foton tarafından uyarılabilmesi için birinci fotonun gazdan geçmesi gerekir. Fotonlar normalde birbirleriyle etkileşime girmezler, ancak bir Rydberg ablukası ile karşılaştıklarında, birbirlerini gazın içinden iterek enerji alışverişinde bulunurlar ve birbirleriyle etkileşime girerler. Dışarıdan bakıldığında, fotonların kütlesi varmış gibi görünür ve aslında kütlesiz kalsalar da tek bir molekül gibi davranırlar. Fotonlar gazdan çıktıklarında, bir ışık molekülü gibi birleşiyormuş gibi görünürler.

Fotonik maddenin pratik uygulaması hala sorgulanıyor, ancak kesinlikle bulunacak. Hatta ışın kılıcı bile olabilir.

düzensiz hiperhomojenite

Bilim adamları, bir maddenin yeni bir durumda olup olmadığını belirlemeye çalışırken, maddenin özelliklerine olduğu kadar yapısına da bakarlar. 2003 yılında, Princeton Üniversitesi'nden Salvatore Torquato ve Frank Stillinger, düzensiz hiperhomojenite olarak bilinen yeni bir madde durumu önerdiler. Bu ifade bir oksimoron gibi görünse de, özünde yakından düzensiz görünen ama uzaktan süper homojen ve yapılandırılmış yeni bir madde türünü akla getiriyor. Böyle bir madde, bir kristal ve bir sıvının özelliklerine sahip olmalıdır. İlk bakışta, bu zaten plazmalarda ve sıvı hidrojende var, ancak son zamanlarda bilim adamları keşfettiler. doğal örnek kimsenin beklemediği yerde: tavuk gözünde.

Tavukların retinalarında beş adet koni bulunur. Dördü rengi algılar ve biri ışık seviyelerinden sorumludur. Ancak insan gözünün veya böceklerin altıgen gözlerinin aksine, bu koniler gerçek bir düzen olmaksızın rastgele dağılır. Bunun nedeni, bir tavuğun gözündeki konilerin çevresinde, aynı türden iki koninin yan yana olmasına izin vermeyen yabancılaşma bölgeleri olmasıdır. Dışlama bölgesi ve konilerin şekli nedeniyle, sıralı oluşturamazlar. kristal yapılar(katılarda olduğu gibi), ancak tüm koniler bir olarak düşünüldüğünde, aşağıdaki Princeton görüntülerinde görüldüğü gibi oldukça düzenli bir desene sahip oldukları görülüyor. Böylece, bir tavuk gözünün retinasında bulunan bu konileri daha yakından incelendiğinde sıvı olarak ve sağlam uzaktan bakıldığında. Bu, yukarıda bahsettiğimiz amorf katılardan farklıdır, çünkü bu ultra homojen malzeme bir sıvı gibi davranacaktır ve amorf sağlam- Numara.

Bilim adamları, maddenin bu yeni halini hala araştırıyorlar çünkü aynı zamanda başlangıçta düşünülenden daha yaygın olabilir. Şimdi Princeton Üniversitesi'ndeki bilim adamları, belirli bir dalga boyunda ışığa tepki veren kendi kendini organize eden yapılar ve ışık dedektörleri oluşturmak için bu tür ultra homojen malzemeleri uyarlamaya çalışıyorlar.

dize ağları

maddenin hali nedir uzay boşluğu? Çoğu insan bunun hakkında düşünmez, ancak son on yılda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Xiao Gang-Wen ve Harvard'dan Michael Levin, bizi elektronun ötesindeki temel parçacıkların keşfine götürebilecek yeni bir madde durumu önerdiler. .

Bir sicim ağı akışkan modeli geliştirmenin yolu, 90'ların ortalarında, bir grup bilim adamının, elektronlar iki yarı iletken arasında geçtiğinde bir deneyde ortaya çıkmış gibi görünen sözde yarıparçacıkları önermesiyle başladı. Yarı-parçacıklar, zamanın fiziği için imkansız görünen kesirli bir yükleri varmış gibi hareket ederken bir karışıklık oldu. Bilim adamları verileri analiz ettiler ve elektronun evrenin temel bir parçacığı olmadığını ve henüz keşfetmediğimiz temel parçacıklar olduğunu öne sürdüler. Bu iş onları Nobel Ödülü, ancak daha sonra deneydeki bir hatanın çalışmalarının sonuçlarına sızdığı ortaya çıktı. Güvenli bir şekilde unutulmuş quasiparticles hakkında.

Fakat hepsi değil. Wen ve Levin, quasiparticles fikrini temel aldı ve yeni bir madde durumu, sicim-ağ durumu önerdi. Böyle bir durumun ana özelliği kuantum dolaşıklıktır. Düzensiz hiperhomojenite durumunda olduğu gibi, yakin MESAFE sicim ağı maddesine bakın, düzensiz bir elektron koleksiyonu gibi görünecektir. Ama bütün bir yapı olarak bakarsanız, elektronların kuantum dolaşıklık özelliğinden dolayı yüksek bir düzen görürsünüz. Wen ve Levin daha sonra çalışmalarını, dolaşıklığın diğer parçacıklarını ve özelliklerini kapsayacak şekilde genişletti.

Wen ve Levin, maddenin yeni durumu için bilgisayar modelleri çalıştırdıktan sonra, sicim ağlarının uçlarının efsanevi "yarı parçacıklar" da dahil olmak üzere çeşitli atom altı parçacıklar üretebileceğini keşfettiler. Daha da büyük bir sürpriz, sicim ağı maddesi titreştiğinde, bunu ışıktan sorumlu Maxwell denklemlerine göre yapmasıydı. Wen ve Levin, kozmosun birbirine dolanmış atom altı parçacıkların sicim ağlarıyla dolu olduğunu ve bu sicim ağlarının uçlarının gözlemlediğimiz atom altı parçacıkları temsil ettiğini öne sürdüler. Ayrıca sicim ağı sıvısının ışığın varlığını sağlayabileceğini öne sürdüler. Uzay boşluğu bir sicim-ağ sıvısı ile doldurulursa, bu ışık ve maddeyi birleştirmemize izin verebilir.

Bütün bunlar çok abartılı görünebilir, ancak 1972'de (tel ağı tekliflerinden on yıllar önce), jeologlar Şili'de garip bir malzeme keşfettiler - herbertsmithite. Bu mineralde elektronlar, elektronların birbirleriyle nasıl etkileştiği hakkında bildiğimiz her şeyle çelişiyor gibi görünen üçgen yapılar oluşturur. Ek olarak, bu üçgen yapı, sicim ağı modeli tarafından tahmin edildi ve bilim adamları, modeli doğru bir şekilde doğrulamak için yapay herbertsmithite ile çalıştı.

kuark-gluon plazma

Bu listedeki maddenin son durumundan bahsetmişken, her şeyi başlatan durumu düşünün: kuark-gluon plazma. Erken Evrende, maddenin durumu klasik olandan önemli ölçüde farklıydı. Başlamak için, biraz arka plan.

kuarklar temel parçacıklar hadronların içinde bulduğumuz (örneğin, protonlar ve nötronlar). Hadronlar ya üç kuarktan ya da bir kuark ve bir antikuarktan oluşur. Kuarklar kesirli yüklere sahiptir ve güçlü nükleer kuvvetin değişim parçacıkları olan gluonlar tarafından bir arada tutulur.

Doğada serbest kuarklar görmüyoruz, ancak Büyük Patlama'dan hemen sonra, bir milisaniye için serbest kuarklar ve gluonlar vardı. Bu süre zarfında evrenin sıcaklığı o kadar yüksekti ki kuarklar ve gluonlar neredeyse ışık hızında hareket etti. Bu süre boyunca, evren tamamen bu sıcak kuark-gluon plazmasından oluşuyordu. Bir saniyeden daha kısa bir süre sonra, evren hadronlar gibi ağır parçacıklar oluşturacak kadar soğudu ve kuarklar birbirleriyle ve gluonlarla etkileşime girmeye başladı. O andan itibaren, bildiğimiz Evrenin oluşumu başladı ve hadronlar elektronlarla bağlanmaya, ilkel atomlar yaratmaya başladı.

Zaten modern evrende, bilim adamları kuark-gluon plazmasını büyük parçacık hızlandırıcılarında yeniden yaratmaya çalıştılar. Bu deneyler sırasında hadronlar gibi ağır parçacıklar birbirleriyle çarpışarak kuarkların kısa süreliğine ayrıldığı bir sıcaklık yarattı. Bu deneyler sırasında, içinde kesinlikle sürtünme olmayan ve sıradan bir plazmadan çok bir sıvıya benzeyen kuark-gluon plazmasının özellikleri hakkında çok şey öğrendik. Egzotik bir madde durumuyla ilgili deneyler, bildiğimiz kadarıyla evrenimizin nasıl ve neden oluştuğu hakkında çok şey öğrenmemizi sağlar.

15 Kasım 2017 Gennady

Dünyaya yeni bir ışıkla bakmak: Bilim adamları benzeri görülmemiş bir madde formu yarattılar. (makalenin çevirisi)

• öğretici

Harvard ve Massachusetts Institute of Technology'deki (MIT - MIT) bilim adamları, ışıkla ilgili genel kabul görmüş bakış açısını değiştiriyorlar ve bunun için çok uzaklara başka bir galaksiye uçmalarına gerek yoktu.
Harvard-Massachusetts Ultracold Atoms Merkezi'ndeki meslektaşlarıyla birlikte çalışan bir grup Harvard fizik profesörü Mikhail Lukin ve MIT fizik profesörü Vladan Vuletich, daha önce yalnızca saf teoride maddenin bir hali olan bir molekül oluşturmak için fotonları konuşabildiler. Çalışma, 25 Eylül Nature makalesinde açıklanmıştır.

Lukin'e göre, keşif, ışığın doğasının altında yatan on yıllık geleneksel çelişkiyi ortaya koyuyor. "Fotonlar uzun zamandır birbirleriyle etkileşmeyen kütlesiz parçacıklar olarak düşünülmüştür - sonuçta iki lazer ışınının parlaması sadece birbirinin içinden geçer" diyor.
Bununla birlikte, "fotonik moleküller", geleneksel lazerler gibi değil, bilimkurgu sayfalarında daha çok ışın kılıcı gibi davranır.

"Işığın bilinen özelliklerinin çoğu, fotonların kütlesi olmadığı ve birbirleriyle etkileşmediği gerçeğinden geliyor. Yaptığımız şey, fotonların birbirleriyle o kadar güçlü bir şekilde etkileşime girmeye başladıkları özel bir ortam türü yaratmaktı. kütleleri varmış gibi davranmak ve moleküller halinde birbirine bağlanmak.
Bu tür bir fotonik eşleşme durumu teorik olarak oldukça uzun bir süredir tartışılıyor, ancak henüz gözlemlenmedi.
Işın kılıçlarıyla doğrudan bir benzetme yapmamalısınız” diye ekliyor Lukin. "Bu fotonlar birbirleriyle etkileşime girdiğinde, birbirlerini iter ve yansıtırlar. Bu moleküllerde olanların fiziği, filmlerde gördüğümüze benzer.”
Ancak Lukin ve Ofer Fisterberg, Alexei Gorshkov, Thibault Peyronel ve Chi-Yu Lian dahil olmak üzere meslektaşları "Gücü" kullanma fırsatı bulamadılar, bir dizi aşırı koşul kullanmak zorunda kaldılar.
Araştırmacılar rubidyum atomlarını bir vakum odasına pompalayarak başladılar, ardından atom bulutunu minimuma, mutlak sıfırın hemen üstüne soğutmak için lazerler kullanarak, son derece zayıf lazer darbeleri kullanarak atom bulutuna tek bir foton ateşlediler.
"Bir foton ortamdan ayrıldıktan sonra kimliğini korur" - Lukin. “Işık bir bardak sudan geçtiğinde gördüğümüz ışığın kırılmasına benzer. Işık suya nüfuz eder ve enerjisinin bir kısmını ortama sıçratır ama onun içinde ışık ve madde birbirine bağlı olarak bulunur ve dışarı çıktığında ışık olmaya devam eder. Burada, yaklaşık olarak aynı süreç gerçekleşir, sadece daha soğuktur - ışık büyük ölçüde yavaşlar ve kırılma sırasında olduğundan çok daha fazla enerji yayar.

Lukin ve meslektaşları buluta iki foton ateşlediğinde, çıkıştaki fotonların tek bir molekülde birleşmesine şaşırdılar.
Onları daha önce hiç görülmemiş molekülü oluşturan nedir?

"Bu etkiye Rydberg blokajı denir" dedi Lukin, "bir atom uyarıldığında atomların durumunu tanımlar - komşu atomlar aynı derecede uyarılamaz. Pratikte bu etki, iki foton bir atoma girer girmez bulut, ilki atomu heyecanlandırır, ancak ikinci fotonun komşu atomları heyecanlandırabilmesi için önde olması gerekir.
Sonuç olarak, onun sözleriyle, iki fotonun adeta bulutun içinden birbirini çekip ittiği, enerjilerinin bir atomdan diğerine aktarıldığı ortaya çıktı.
Lukin, "Atomik bir etkileşimin aracılık ettiği bir foton etkileşimi" diyor. "Bu, fotonların moleküller gibi davranmasını sağlar ve ortamdan ayrıldıklarında, bunu tek fotonlar yerine birlikte yapmaları daha olasıdır."
Etki olağandışı olsa da, bunun için pratik uygulamalar mümkündür.
Lukin, “Bunu eğlence için (eğlence için) ve bilimin sınırlarını zorladığımız için yaptık” diyor.
“Fakat yaptığımız işin daha büyük resmine uyuyor çünkü fotonlar kuantum bilgisini iletmek için mümkün olan en iyi ortam olmaya devam ediyor. Ana dezavantaj, fotonların birbirleriyle etkileşime girmemesiydi.
Bir kuantum bilgisayar inşa etmek için," diye açıklıyor, "araştırmacıların kuantum bilgisini depolayabilen ve kuantum mantık işlemlerini kullanarak işleyebilen bir sistem inşa etmeleri gerekiyor.
Ancak sorun, kuantum mantığının, bu kuantum sistemlerinin bilgi işlemeyi gerçekleştirmek için geçiş yapabilmesi için bireysel kuantumlar arasında etkileşim gerektirmesiydi.
Harvard profesörü Mikhail Lukin, "Bu süreçte gösterdiklerimiz daha ileri gitmemizi sağlayacak" dedi.

"Bir kuantum anahtarının veya bir fotonik mantık dönüştürücünün pratik uygulamasına geçmeden önce performansı iyileştirmemiz gerekiyor, bu yüzden bu hala bir kavram kanıtı düzeyinde, ancak bu önemli bir adım.
Burada oluşturduğumuz fiziksel ilkeler önemlidir. Sistem aynı zamanda çip üreticilerinin halihazırda yaşadığı güç kayıplarını azaltmak için klasik hesaplamada da faydalı olabilir.
IBM dahil bazı şirketler, ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren optik yönlendiricilere dayalı sistemler geliştirdiler, ancak bazı zorluklar yaşadılar.
Lukin ayrıca sistemin bir gün tamamen ışıktan oluşan bir kristal gibi karmaşık üç boyutlu bir yapı oluşturmak için kullanılabileceğini de öne sürdü.
Ne işe yarayacağını henüz bilmiyoruz, ancak bu maddenin yeni bir hali, bu yüzden bu fotonik moleküllerin özellikleriyle ilgili araştırmalarımıza devam ettikçe bunun için başvuruların ortaya çıkabileceği konusunda umutla doluyuz.” dedi.

Harvard Üniversitesi (2013, 25 Eylül). Işığı yeni bir ışıkta görmek: Bilim adamları daha önce hiç görülmemiş bir madde formu yaratıyor. Günlük Bilim. 25 Eylül 2013 alındı

Dış elektronun oldukça uyarılmış durumda olduğu alkali metaller (seviyelere kadar) n yaklaşık 1000). Bir atomu temel durumundan uyarılmış bir duruma aktarmak için rezonant lazer ışığı ile ışınlanır veya bir RF deşarjı başlatılır. Bir Rydberg atomunun boyutu, temel durumdaki aynı atomun boyutunu yaklaşık 106 kat aşabilir. n = 1000 (aşağıdaki tabloya bakınız).

Rydberg atomlarının özellikleri

Yarıçaplı bir yörüngede dönen elektron r Newton'un ikinci yasasına göre çekirdeğin etrafında bir kuvvete maruz kalır.

nerede ( - dielektrik duyarlılık), e elektronun yüküdür.

Birimlerde yörünge momenti ħ eşittir

Bu iki denklemden, durumdaki bir elektronun yörünge yarıçapı için bir ifade elde ederiz. n :

Bir rubidyum atomunun bir Rydberg durumuna lazerle uyarılması şeması.

Böyle bir hidrojen benzeri atomun bağlanma enerjisi,

nerede Ry= 13,6 eV Rydberg sabitidir ve δ - genel olarak nükleer yük kusuru nönemsiz. arasındaki enerji farkı n-th ve n+1-th enerji seviyeleri yaklaşık olarak eşittir

Bir atomun karakteristik boyutu rn ve tipik yarı-klasik elektron devri periyodu eşittir

nerede bir B= 0,5 10 −10 m Bohr yarıçapıdır ve T 1 ~ 10 -16 sn.

Geçiş sırasında bir hidrojen atomunun emisyonunun dalga boyu n′ = 91üzerinde n = 90 3.4 cm'ye eşit

Rydberg atomlarının dipol blokajı

Atomlar temel durumdan Rydberg durumuna uyarıldığında, "dipol blokajı" adı verilen ilginç bir fenomen meydana gelir.

Nadir bir atom buharında, temel durumdaki atomlar arasındaki mesafe büyüktür ve atomlar arasında pratik olarak hiçbir etkileşim yoktur. Bununla birlikte, atomların Rydberg durumuna uyarılmasıyla, yörünge yarıçapları artar ve 1 μm mertebesinde bir değere ulaşır. Sonuç olarak, atomlar "yaklaşır", aralarındaki etkileşim önemli ölçüde artar, bu da atomların durumlarının enerjisinde bir kaymaya neden olur. Bu neye yol açar? Zayıf bir ışık darbesiyle sadece bir atomun temel durumdan Rieberg durumuna uyarılabileceğini varsayalım. Aynı seviyeyi başka bir atomla doldurma girişimi, "dipol blokajı" nedeniyle açıkça imkansız hale gelir.

Araştırma yönergeleri ve olası uygulamalar

Atomların Rydberg durumları ile ilgili çalışmalar şartlı olarak iki gruba ayrılabilir: atomların kendilerinin incelenmesi ve özelliklerinin başka amaçlar için kullanılması.

Temel araştırma alanları:

Rydberg atomlarının sıra dışı özellikleri şimdiden uygulama buluyor

2009 yılında araştırmacılar Rydberg molekülünü elde etmeyi başardılar. (İngilizce) Rusça .

radyo astronomi

Radyo astronomisinde Rydberg atomları üzerine ilk deneysel veriler, 1964 yılında R. S. Sorochenko ve diğerleri (FIAN) tarafından, santimetre frekans aralığında uzay nesnelerinin radyasyonunu incelemek için tasarlanmış 22 metrelik bir aynalı radyo teleskopunda elde edildi. Teleskop Omega Bulutsusu'na odaklanırken, bu bulutsudan gelen radyo emisyonu spektrumunda, λ ≃ 3.4 cm dalga boyunda bir emisyon çizgisi tespit edildi. Bu dalga boyu, Rydberg durumları arasındaki geçişe karşılık gelir. n′ = 91 ve n = 90 hidrojen atomunun spektrumunda.

Notlar

Edebiyat

• Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. n ≅ 500'de Rydberg Atomlarının Spektroskopisi // Phys. Rev. Lett. 1987 Cilt 59. S. 26.
• Frey M.T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Çok Yüksek-n Rydberg Atomları Kullanan Mikroelektronvolt Enerjilerinde Elektron-Molekül Saçılımı Çalışmaları // Phys. Rev. Lett. 1995 Cilt 75, No. 5. S. 810-813.
• Sorochenko R.L., Salomonovich A.E. Uzaydaki dev atomlar // Doğa. 1987. No. 11. S. 82.
• Dalgarno A. Astrofizikte Rydberg atomları // Rydberg atom ve molekül durumları: Per. İngilizceden. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir. 1985, s. 9.
• Smirnov BM Heyecanlı atomlar. Moskova: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Bağlantılar

• Delaunay N.B. Rydberg atomları // Soros Educational Journal, 1998, No. 4, s. 64-70
• "Yoğun Rydberg maddesi", E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, "Priroda" N1, 2001 dergisinden makale.

Wikimedia Vakfı. 2010 .

Harvard Üniversitesi'ndeki Ultracold Atomlar Merkezi'nden ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (Harvard-MIT Ultracold Atomlar Merkezi) hemşehrimiz Mikhail Lukin liderliğindeki bir fizikçi ekibi, daha önce görülmemiş bir madde türü elde etti.

Bu madde, çalışmanın yazarlarına göre, bilim adamlarının ışığın doğası hakkındaki fikirleriyle çelişiyor. Fotonlar, birbirleriyle etkileşime giremeyen kütlesiz parçacıklar olarak kabul edilir. Örneğin, iki lazer ışını birbirine yönlendirirseniz, birbirleriyle etkileşime girmeden basitçe geçerler.

Ancak bu sefer Lukin ve ekibi bu inancı deneysel olarak çürütmeyi başardı. Işık parçacıklarının birbirleriyle güçlü bir bağ oluşturmasına ve hatta moleküller halinde bir araya gelmesine neden oldular. Daha önce, bu tür moleküller sadece teorideydi.
Lukin, "Fotonik moleküller sıradan lazer ışınları gibi davranmazlar, daha çok bilim kurguya yakın bir şey gibi davranırlar - örneğin Jedi ışın kılıçları" diyor.
"Işığın tarif edilen özelliklerinin çoğu, fotonların kütlesi olmadığı inancından gelir. Bu yüzden birbirleriyle hiçbir şekilde etkileşime girmezler. Tek yaptığımız, ışık parçacıklarının birbirleriyle çok güçlü bir şekilde etkileştiği özel bir ortam yaratmaktı. sanki kütleleri varmış gibi davranmaya ve moleküllere dönüşmeye başlıyorlar" diye açıklıyor fizikçi.
Lukin ve meslektaşları, fotonik molekülleri ya da daha doğrusu onların oluşumuna uygun ortamı yaratırken Güç'e güvenemezlerdi. Kesin hesaplamalarla karmaşık bir deney yapmak zorunda kaldılar, ancak kesinlikle şaşırtıcı sonuçlar.
Başlamak için, araştırmacılar rubidyum atomlarını bir vakum odasına yerleştirdiler ve atom bulutunu mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerine soğutmak için lazerler kullandılar. Ardından, bilim adamları çok zayıf lazer darbeleri oluşturarak rubidyum bulutuna bir foton gönderdiler.
"Fotonlar bir soğuk atom bulutuna girdiğinde, enerjileri atomların uyarılmış bir duruma geçmesine neden olur. Sonuç olarak, hafif parçacıklar yavaşlar. Fotonlar bulutun içinde hareket eder ve enerji, ortamdan ayrılana kadar atomdan atoma aktarılır. fotonun kendisi ile birlikte Bu durumda, çevrenin durumu fotonun “ziyaretinden” öncekiyle aynı kalıyor” diyor Lukin.

Çalışmanın yazarları, bu süreci bir bardak suda ışığın kırılmasıyla karşılaştırıyor. Işın ortama girdiğinde, ona enerjisinin bir kısmını verir ve camın içinde ışık ile madde arasında bir "bağ" oluşturur. Ama camdan çıktığında hala hafiftir. Hemen hemen aynı süreç Lukin'in deneyinde gerçekleşir. Tek fiziksel fark, ışığın çok yavaşlaması ve bir bardak suda normal kırılmadan daha fazla enerji yaymasıdır.
Deneyin bir sonraki aşamasında, bilim adamları rubidyum bulutuna iki foton gönderdi. Çıkışta bir moleküle bağlı iki foton yakaladıklarında ne kadar şaşırdıklarını hayal edin. Daha önce görülmemiş bir maddenin birimi olarak adlandırılabilir. Ama bu bağlantının nedeni nedir?
Etki daha önce teorik olarak tanımlanmıştı ve Rydberg ablukası olarak adlandırılıyor. Bu modele göre, bir atom uyarıldığında diğer komşu atomlar aynı uyarılmış duruma geçemez. Pratikte bu, iki foton bir atom bulutuna girdiğinde, birinci fotonun atomu uyaracağı ve ikinci foton komşu atomları uyarmadan önce ilerleyeceği anlamına gelir.
Sonuç olarak, iki foton, enerjileri bir atomdan diğerine aktarılırken buluttan geçerken birbirini itip çekecektir.
Lukin, "Bu, atomik etkileşimin aracılık ettiği bir foton etkileşimidir. Bu sayede iki foton, ortamdan ayrıldıklarında iki ayrı parçacık gibi değil, tek bir molekül gibi davranacaktır" diye açıklıyor.
Araştırmanın yazarları, bu deneyi daha çok eğlence için, bilimin temel sınırlarının gücünü test etmek için yaptıklarını itiraf ediyor. Ancak, böyle şaşırtıcı bir keşfin birçok pratik uygulaması olabilir.

Örneğin, fotonlar kuantum bilgisinin optimal taşıyıcısıdır, tek sorun hafif parçacıkların birbirleriyle etkileşmemesiydi. Bir kuantum bilgisayar oluşturmak için, kuantum bilgi birimlerini depolayacak ve kuantum mantık işlemlerini kullanarak işleyecek bir sistem oluşturmak gerekir.
Sorun şu ki, bu tür bir mantık, sistemlerin bilgi işlemesini değiştirip gerçekleştireceği şekilde bireysel nicelikler arasında etkileşim gerektirmesidir.
Lukin, "Deneyimiz bunun mümkün olduğunu kanıtlıyor. Ancak bir kuantum anahtarı veya bir fotonik mantık geçidi oluşturmadan önce, fotonik moleküllerin performansını iyileştirmemiz gerekiyor" diyor. Bu nedenle, mevcut sonuç sadece pratikte kavramın bir kanıtıdır.
Fizikçilerin keşfi, klasik bilgisayarların ve hesap makinelerinin üretiminde de faydalı olacaktır. Bilgisayar çipi üreticilerinin karşılaştığı bir dizi güç kaybı sorununun çözülmesine yardımcı olacaktır.
Uzak gelecekte, bir gün Lukin'in takipçileri muhtemelen kristal gibi tamamen ışıktan oluşan üç boyutlu bir yapı oluşturabilecekler.
Deneyin bir açıklaması ve bilim adamlarının sonuçları, Nature dergisinde yayınlanan Lukin ve meslektaşlarının makalesinde bulunabilir.