Aktualności

Połączono dwa nietypowe stany materii

Budowa atomu fascynowała wielkich uczonych tego świata od setek lat i robi to nieprzerwanie, mimo poznanych już o niej wielu faktów. Typowe oddziaływania znane nam ze szkoły są stosunkowo nie trudne do wyobrażenia, jednak nanoskala w atomie skrywa wiele ciekawych zjawisk. Dla porównania średnia odległość elektronu od jego jądra może wynosić nawet kilkaset nanometrów. Daje to ponad tysiąc razy więcej niż promień atomu wodoru. Te zjawiska z pewnością zastanawiały  naukowców z uniwersytetów w Wiedniu, Harvardzie i Houston. Właśnie oni przebadali pod tym kątem dwa nietypowe stany materii – a dokładniej – ich połączenie.

W typowym atomie i w zwyczajnych warunkach, przestrzeń między jądrem atomowym a elektronem oraz między elektronem a elektronem jest pusta. Jednak istnieje możliwość, by w warunkach bardzo niskiej temperatury elektrony były oddalone znacznie od jądra nadal poruszając się wokół niego. Wówczas w tej znacznie większej, wolnej przestrzeni niż zwykle, można umieścić inny atom lub atomy. Taki układ o słabych wiązaniach nazwano polaronami Rydberga. Naukowcy ze wspomnianych uniwersytetów zaprezentowali ten – jak sami mówią – “egzotyczny stan materii” na łamach czasopisma “Physical Review Letters”.

Układ powstał dzięki połączeniu dwóch szczególnych stanów materii: atomy Rydberga oraz kondensat Bosego-Einsteina. Pierwszy występuje gdy elektron zostanie wzbudzony do bardzo wysokich poziomów energetycznych. To skutkuje znacznym oddaleniem się od jądra i od pozostałych elektronów. Pole elektryczne, w którym porusza się ten elektron, jest wytworzone przez ładunek punktowy równy ładunkowi jądra pomniejszonego o ładunek pozostałych. Oscylacje, dzięki zewnętrznemu polu elektrycznemu, powodują krążenie tego elektronu wokół jądra. Atomy Rydberga udowadniają ciągłość fizyki kwantowej i klasycznej. Drugi stan jest efektem kwantowym, którego nie dotyczy zakaz Pauliego. Ponadto widoczny jest jedynie w niskich temperaturach, dzięki uzyskaniu zerowego stanu pędowego.

Połączenie uzyskano przez utworzenie kondensatu Bosego-Einsteina z atomami strontu. Następnie za pomocą lasera energię przeniesiono do jednego z tych atomów, zamieniając ją w atom Rydberga o ogromnym promieniu atomowym. W efekcie promień orbity, na której elektron porusza się wokół jądra, jest znacznie większy. A dokładniej – większy niż typowa odległość między dwoma atomami w kondensacie. Dlatego elektron nie tylko krąży wokół własnego jądra atomowego, wiele innych atomów również znajduje się na jego orbicie. W zależności od promienia atomu Rydberga i gęstości kondensatu Bosego-Einsteina orbita może zawierać aż 170 dodatkowych atomów strontu.

Jako, że atomy nie mają żadnego ładunku elektrycznego, wywierają jedynie minimalne oddziaływanie z elektronem. Natomiast do bardzo małego stopnia, elektron ciągle odczuwa obecność neutralnych atomów wzdłuż jego drogi. Jest rozpraszany przez neutralne atomy, ale tylko odrobinę i nie opuszcza on swojego toru ruchu. Fizyka kwantowa powolnych elektronów pozwala na tego rodzaju rozproszenie, które nie przenosi elektronu w inny stan. Symulacje komputerowe pokazują, że ten względnie słaby rodzaj interakcji obniża energię całkowitą systemu. Przez to jest wytwarzane wiązanie pomiędzy atomem Rydberga i innymi atomami wewnątrz orbity elektronowej jest bardzo nietypową sytuacją. Normalnie, mamy do czynienia z naładowanym jądrem, wiążącym atomy dookoła. Tutaj mamy elektron wiążący neutralne atomy. Wiązania w tym układzie są o wiele słabsze niż wiązanie pomiędzy atomami w krysztale. Zjawisko to może być zauważone jedynie w bardzo niskich temperaturach, ponieważ jeżeli cząsteczki poruszałyby się szybciej, wiązanie uległoby rozerwaniu.

Źródło tekstowe: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180226085801.htm

Źródło grafiki: freeimages.com

Redaktor: Jagoda M. Wierzbicka

Podobne artykuły

Międzynarodowa grupa naukowców z uniwersytetów w Wiedniu, Duisburg-Essen i Tel Aviv’ie skonstruowała nanomechaniczne wskazówki pokazujące nam czas przy pomocy obracania się malutkich, cienkich walców, których ruch jest inicjowany światłem.
Nowe badania ujawniły kolejne tajemnice wydajności nanomateriałów, czyli materiałów o bardzo drobnych cząstekach, które poprawią przyszły rozwój czujników chemicznych stosowanych w przemyśle chemicznym i inżynierii.