Riesenatom versteckt seine Nachbarn unter einem Ein-Elektronen-Rock

Riesenatom versteckt seine Nachbarn unter einem EinelektronenmantelEnlargeTechnische Universität Wien

Sie kennen vielleicht Matroschka-Puppen: verschachtelte Sets von Bemalte Figuren, die in bemalte Figuren passen. Im Falle des Holzpuppen, das Konzept ist ziemlich einfach: aushöhlen ein Sie könnten denken, dass Sie das tun Dasselbe gilt für Atome. Ja, Atome sind meistens Raum, aber sie sind irgendwie schwer auszuhöhlen. Und, ein anderes Atom davon zu überzeugen, in den leeren Raum einzutreten (und sich selbst zu machen) kleiner) scheint eine unmögliche Aufgabe.

Dies ist jedoch so, wie es eine Gruppe von Forschern getan hat. Sie schuf eine Menge sehr kalter Atome; innerhalb dieser Menge nahmen sie a einzelnes Atom und überzeugte eines der Elektronen auf einer sehr Umlaufbahn große Entfernung. Paare von Atomen fielen in die Lücke zwischen dieses Elektron und sein Kern. Und dort saßen sie gefangen zwischen eine äußere Hülle eines schnell umlaufenden Elektrons und eine harte Wand der innere Elektronen und Kern. Es ist nicht ganz eine Matroschka-Puppe – alles der gefangenen Atome sitzen zusammen in der Lücke, nicht in jedem andere – aber es ist eine beeindruckende Annäherung.

Wie haben die Forscher dieses Kunststück der atomaren Holzbearbeitung geschafft? Um das in den Griff zu bekommen, müssen wir drei Konzepte einführen: das Bose-Einstein-Kondensat, das die Menge der sehr kalten Atome bildet; ein Polaron, das der Mechanismus ist, der die Atome im Inneren des äußere Schale der Puppe; und schließlich Rydberg-Atome, einen Weg zu machen ein Atom sehr groß und sehr leer.

Ich weiß nicht, was ein Rydberg-Atom ist, aber ich nehme zwei davon ‘Em

Um dies technisch auszudrücken, nahmen die Forscher a schönes, entspanntes Bose-Einstein-Kondensat, in das ein Rydberg-Atom gefallen ist es, und sah die ganze Menge aufgeregt in hüpfen Antwort.

Ein Rydberg – Atom ist ein gewöhnliches Atom mit einem Elektron, das eine sehr viel Energie. Negativ geladene Elektronen werden von einem Atom, weil sie an den positiv geladenen Kern angezogen werden. Die gefangenen Elektronen sind alle in der Reihenfolge ihrer Energie gestapelt Ignoriert alle anderen Eigenschaften, die den Stapel mehr machen interessant). Dieser Stapel ist im Grunde für alle Atome gleich: dort Es gibt unendlich viele mögliche Energien, die alle noch vorhanden sind unter Null und eine Energie über Null zeigt an, dass das Elektron ist nicht mehr an das Atom gebunden. Der Trick ist, dass als die Lücke zwischen Jede Schicht im Stapel wird mit zunehmender Energie kleiner und kleiner du hast.

Ein Laser mit genau der richtigen Farbe kann ein Elektron anregen irgendwo in der Nähe des Bodens (also vielleicht um die fünfte Schicht in der Stapel) bis zu so etwas wie der 30. bis 150. Schicht in der Stapel. Diese Elektronen sind kaum an das Atom gebunden. Ihre Energie ist so hoch, dass sie kreisförmige Bahnen haben, fast wie Planeten, bei eine große Entfernung vom Kern. Diese Rydberg-Atome können a Radius so groß wie ein Mikrometer, ungefähr tausendmal größer als ihre normale Größe.

Der Raum zwischen dem angeregten Elektron und dem Rest des Elektronen sind leer, aber normalerweise fallen andere Atome nicht hinein die Lücke. Sie könnten durchkommen, oder ihr Durchgang könnte das verursachen Elektron in seine normale Position im Stapel zurückfallen. Sie bleibt normalerweise nicht mit allem Netten und Gefangenen drinnen stabil jedoch. Um das zu bekommen, braucht man Atome in einem speziellen Zustand, genannt ein Bose Einstein Kondensat.

Bleiben wir auf der gleichen Wellenlänge

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine besondere Form der Materie, die stützt sich auf eine Besonderheit der Quantenmechanik. In der Quantenwelt Sie können entweder ein Boson oder eine Fermion sein. Fast alles um uns herum besteht aus Fermionen: Elektronen, Protonen und Neutronen sind alle Fermionen. Teilchen wie Photonen sind dagegen Bosonen. Der wichtige Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen ist, wie sie benimm dich, wenn sie nahe beieinander liegen.

Wenn du dich auf etwas gefasst machst und versuchst, in den Geist zu schauen von einem Physiker, was Sie meistens finden, ist “????” überlagert mit Patina der nützlichen Faulheit.

Um den Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen zu verstehen, brauchen wir an die wellenartigen Eigenschaften von Partikeln zu denken. Die Welle hält die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zu finden, und als Teilchen nähern sich die Wellen der beiden Teilchen zu Überlappung. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, beide Partikel zu finden im Überlappungsbereich ist proportional zur Summe der beiden Wellen Dort. Für Fermionen die Größe der Welle im Überlappungsbereich wird kleiner, wenn sich die Partikel nähern; stattdessen die Welle wächst im nicht überlappenden Bereich. Das heißt die beiden Teilchen meiden sich gegenseitig.

Bei Bosonen passiert genau das Gegenteil: die Summe der Wellen im Überlappungsbereich nimmt zu und die Partikel scheinen zu rennen zusammen in eine wilde Umarmung. Wenn eine große Gruppe von Bosonen kommt zusammen können sie mit etwas Ermutigung alle genau dazu kommen den gleichen Quantenzustand und verhalten sich, als ob sie eine einzige sind Partikel. Eine schöne Analogie könnte ein Konzert sein. Sobald die Die Musik geht los und die Menge erwärmt sich, sie bilden eine einzige Gruppe: Die Konzertbesucher geben ihre Individualität auf, um sich darin zu verlieren die Musik.

Wenn Atome Bosonen sind (Fermionen, die Atome bilden, können sein kombiniert zu einem Boson) können sie sich zu einer Atomwolke abkühlen das hält sich zusammen. Obwohl die Atome nicht physikalisch sind Nahe beieinander stoßen sie sich nicht ab, wenn sie es bekommen schließen.

Dies sind Atome, die sanft im Radius von a sitzen können Rydberg-Atom, ohne es unbedingt zu stören. Das ist es aber nicht genug, um sie im Rydberg-Atom einzufangen. Dazu müssen wir Denken Sie darüber nach, wie die Atome aus dem Kondensat auf die äußerstes Elektron. Um das zu verstehen, müssen wir uns mit dem beschäftigen schmutzige Welt der Quasiteilchen.

Nicht alle Attraktionen sind tödlich

Wenn Sie sich wappnen und versuchen, in den Verstand von a zu schauen Physiker, was Sie meistens finden, ist “????” überlagert mit Patina der nützlichen Faulheit. Es gibt keine bessere Demonstration dafür als die Welt der Quasiteilchen. Quasiteilchen sind keine Teilchen im normalen Sinn des Wortes, aber sie sind Gruppen von “Sachen” dass sich zusammen wie eine Einheit verhalten. In diesem Pantheon von so tun als ob Teilchen, werden wir das Polaron finden (das mit Dunkelheit) Haare, nur links von der wütenden Erregung).

Stellen Sie sich einen festen Kristall vor. Alle Atome sind in regelmäßigen Abständen angeordnet Intervalle und alles ist elektrisch neutral. Jetzt lassen wir einen fallen Elektron in den Kristall. Die Elektronen um die Atome schießen zurück vom Eindringling und hinterlässt eine leichte positive Ladung um ihn herum. Diese Bewegung schirmt den Rest des Kristalls effektiv vom Kristall ab negative Ladung des neuen Elektrons.

Jetzt, während sich das Elektron bewegt, die Atome, die es zurücklässt Entspannen Sie sich, während die Vorderen anfangen, sich zu verzerren, um zu warten der Bildschirm. Die Entspannung und Verzerrung erzeugen dabei Schallwellen reise mit dem elektronen. Also landen wir mit einem Elektron, das reist In einer Hülle aus Schallwellen verhält sich das alles wie eine einzige Einheit, die wir ein Polaron nennen.

Das ist ein freies Polaron. Es gibt aber auch gefangene Polaronen. Stellen Sie sich dieselbe Situation vor: Ein Elektron fällt in einen neutralen Bereich Kristall. Die Elektronen um die Atome ziehen sich zurück und umgeben die Elektron mit positiven Ladungen. Das Elektron verlangsamt sich, bis es kann vibrieren nur vor und zurück an Ort und Stelle. Wie es vibriert, die Die umgebenden Atome vibrieren ebenfalls und senden Schallwellen durch die Kristall. Auch hier sieht es aus wie ein einzelnes Teilchen bestehend aus a Ladung und Schallwellen, die jedoch an einen bestimmten Punkt im Kristall gebunden sind.

Lösen Sie die Schrauben und untersuchen Sie die Muttern

Der Prozess der Erzeugung von Atomen in Atomen sieht also wie folgt aus: a bisschen so. Die Forscher nehmen ein Gas von Atomen und kühlen sie ab bis sie ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Atome sind so kalt, dass sie sich im Grunde nicht bewegen und voneinander beabstandet sind etwa 80 Nanometer voneinander entfernt. Danach leuchten die Forscher sehr kurzer Ausbruch von ultraviolettem Licht durch das Kondensat. Die Farbe und die Intensität dieses Lichts wird so gewählt, dass aller Wahrscheinlichkeit nach a es wird ein einzelnes Rydberg-Atom gebildet.

Für die umgebenden Atome sieht das umlaufende Elektron aus wie a einzelnes Elektron. Die größten Rydberg-Atome haben Elektronenbahnen mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines Mikrometers, was bedeutet, dass Etwa 160 Atome befinden sich in der Umlaufbahn des Rydberg-Atoms gebildet. Die gefangenen Atome ordnen ihre Elektronen so um, dass a Dem Elektron zugewandt ist eine leicht positive Ladung und eine leicht positive negative Ladung ist dem Kern zugewandt. Wenn das Elektron umkreist, Diese Atome vibrieren physikalisch und senden Schallwellen in den Rest aus des Bose-Einstein-Kondensats.

Sie haben ein Polaron in einem Rydberg-Atom gefangen. Alles innerhalb aBose Einstein Kondensat.

Wenn Ihnen das nicht in den Sinn gekommen ist, können die Forscher auch sehen wie Polaronen innerhalb des Rydbergs kleine Gruppen miteinander bilden Atom. Da die Größe des Rydberg-Atoms gesteuert werden kann, kann die Forscher können auch die Anzahl und Art der Polaronen steuern, die sind gefangen.

Für kleine Rydberg-Atome ist es möglich zu sehen, wie die Polaronen sind sind an das Atom gebunden. Zum Beispiel bilden Polaronen Paare: beide Polaronen sind an das Rydberg-Atom gebunden, gleichzeitig aber auch Schieben Sie sich herum und bilden Sie eine Einheit. Dies funktioniert für Gruppen von drei und fünf auch. Sondern wie die Anzahl der eingefangenen Polaronen erhöht sich, diese diskreten Gruppen verschmieren als alle Polaronen schieben einander um.

Es ist leicht, beim Lesen ziemlich unterfordert und zynisch zu sein wissenschaftliche Arbeiten auf täglicher Basis. Viele Ergebnisse sind ähnlich oder sind (nützliche) Erweiterungen zu früheren Arbeiten. Sie können mit ausreichend Kaffee, schätzen die Fähigkeit und das neue Wissen ohne es wirklich das Blut zum Fließen zu bringen. Diese Forschung ist genau das Gegenteil: Das neue Wissen und Können steht an zweiter Stelle nach dem “sie haben was gemacht?” Faktor. Jetzt muss ich mich für einen Moment hinlegen während.

Physical Review Letters, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.083401

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