Атомы поместили внутрь другого атома

Ученым удалось получить новую форму материи, в которой между электронной оболочкой и ядром атома располагаются другие атомы. В такой необычной ситуации обнаруживается связь между заряженным электроном и нейтральными атомами. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Из школьной физики известно, что электронные орбитали находятся на существенном расстоянии от ядра атома. Обычно пространство между ними пусто, но можно ли туда поместить другие частицы? В новой работе физики экспериментально подтвердили, что такое связанное состояние можно реализовать. Состояние они назвали ридберговским поляроном.

Чтобы достичь этого состояния, необходимо скомбинировать два явления атомной физики: ридберговские атомы и конденсат Бозе — Эйнштейна. Ридберговские атомы — это водородоподобные системы, в которых один электрон переведен в высоковозбужденное состояние, вращается на еще большем расстоянии, чем обычно, и притягивается к суммарному заряду ядра и оставшихся электронов, то есть к одному протону в первом приближении. Конденсат Бозе — Эйнштейна — это особая форма материи, которая достигается при сверхнизких температурах, при которой частицы, например, атомы или молекулы, могут коллективно находиться в одном квантовом состоянии. В частности, таким конденсатом является сверхтекучий гелий.

В новой работе создавался конденсат из атомов стронция. Затем при помощи лазера один из атомов переводился в высоковозбужденное состояние. В результате получались ридберговские атомы с расстоянием между внешним электроном и ядром до нескольких сотен нанометров, что более чем в тысячу раз больше, чем в атоме водорода. Это настолько далеко, что между электроном и ядром помещалось множество других атомов в основном состоянии — в некоторых экспериментах их было до 170.

«Атомы не обладают электрическим зарядом, поэтому они оказывают лишь минимальное воздействие на электрон, — поясняет соавтор работы Сюхей Есида из Венского технического университета. — Получается совершенно особенная ситуация: обычно заряженное ядро удерживает электроны на своей орбите, а тут электрон удерживает нейтральные атомы». Природа этой связи в слабом квантовомеханическом рассеянии медленного электрона на атомах, что не вызывает существенного изменения орбиты. Такой феномен возможен только при сверхнизких температурах: энергия этой связи намного меньше, чем, например, между атомами в кристалле, и при повышении температуры такая система развалится. Авторы называют достигнутый результат прекрасной возможностью исследовать свойства конденсата Бозе — Эйнштейна на малых масштабах и с высокой точностью.