Большинство людей с легкостью назовут три классических состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто немножко знает науку, добавит к этим трем еще плазму. Но со временем ученые расширили список возможных состояний вещества свыше этих четырех.

Аморфные и твердые

Аморфные твердые вещества - это довольно интересная подгруппа хорошо известного твердого состояния. В обычном твердом объекте молекулы хорошо организованы и не особо имеют пространство для движения. Это дает твердому веществу высокую вязкость, что является мерой сопротивления текучести. Жидкости, с другой стороны, имеют неорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им течь, растекаться, изменять форму и принимать форму сосуда, в котором они находятся. Аморфные твердые вещества находятся где-то между этими двумя состояниями. В процессе витрификации жидкости остывают и их вязкость увеличивается до момента, когда вещество уже не течет подобно жидкости, но его молекулы остаются неупорядоченными и не принимают кристаллическую структуру, как обычные твердые вещества.

Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло. В течение тысяч лет люди делали стекло из диоксида кремния. Когда стеклоделы охлаждают кремнезем из жидкого состояния, он на самом деле не затвердевает, когда опускается ниже точки плавления. Когда температура падает, вязкость растет, вещество кажется тверже. Однако его молекулы по-прежнему остаются неупорядоченными. И тогда стекло становится аморфным и твердым одновременно. Этот переходный процесс позволил ремесленникам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные структуры.

Каково же функциональное различие между аморфными твердыми веществами и обычным твердым состоянием? В повседневной жизни оно не особо заметно. Стекло кажется совершенно твердым, пока вы не изучите его на молекулярном уровне. И миф о том, что стекло стекает с течением времени, не стоит ломаного гроша. Чаще всего этот миф подкрепляется доводами о том, что старое стекло в церквях кажется толще в нижнем части, но обусловлено это несовершенством стеклодувного процесса на момент создания этих стекол. Впрочем, изучать аморфные твердые вещества вроде стекла интересно с научной точки зрения для исследования фазовых переходов и молекулярной структуры.

Сверхкритические жидкости (флюиды)

Большинство фазовых переходов происходит при определенной температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Тем не менее когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость совершает прыжок в царство сверхкритических жидкостей, у которых есть свойства как газа, так и жидкости. К примеру, сверхкритические жидкости могут проходить через твердые тела как газ, но также могут выступать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическую жидкость можно сделать больше похожей на газ или на жидкость, в зависимости от комбинации давления и температуры. Это позволило ученым найти множество применений для сверхкритических жидкостей.

Хотя сверхкритические жидкости не так распространены, как аморфные твердые вещества, вы, вероятно, взаимодействуете с ними так же часто, как со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода любят пивоваренные компании за его способность выступать в качестве растворителя при взаимодействии с хмелем, а кофе-компании используют его для производства лучшего кофе без кофеина. Сверхкритические жидкости также использовались для более эффективного гидролиза и чтобы электростанции работали при более высоких температурах. В общем, вы, вероятно, используете побочные продукты сверхкритических жидкостей каждый день.

Вырожденный газ

Хотя аморфные твердые вещества хотя бы встречаются на планете Земля, вырожденное вещество встречается лишь в определенных типах звезд. Вырожденный газ существует, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, в частности принципом Паули. Из-за этого внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное и нейтронно-вырожденное вещество.

Электронно-вырожденное вещество существует в основном в белых карликах. Оно образуется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния. Однако в соответствии с принципом Паули, две одинаковых частицы не могут быть в одном энергетическом состоянии. Таким образом, частицы «отталкивают» вещество вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца. Когда звезда превышает этот предел (известный как предел Чандрасекара), она просто коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру.

Когда звезда коллапсирует и становится нейтронной звездой, у нее больше нет электронно-вырожденного вещества, она состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, электроны сливаются с протонами в ее ядре, образуя нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны не связаны в атомном ядре) имеют период полураспада в 10,3 минуты. Но в ядре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать за пределами ядер, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

Другие экзотические формы вырожденного вещества также могут существовать, в том числе и странная материя, которая может существовать в редкой форме звезд - кварковых звезд. Кварковые звезды - это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре развязаны и образуют бульон из свободных кварков. Мы пока не наблюдали такой тип звезд, но физики допускают их существование.

Сверхтекучесть

Вернемся на Землю, чтобы обсудить сверхтекучие жидкости. Сверхтекучесть - это состояние вещества, которое существует у определенных изотопов гелия, рубидия и лития, охлажденных до почти абсолютного нуля. Это состояние похоже на конденсат Бозе - Эйнштейна (бозе-эйнштейновский конденсат, БЭК), за несколькими отличиями. Некоторые БЭК сверхтекучи, а некоторые сверхтекучие состояния являются БЭК, но не все они идентичны.

Жидкий гелий известен своей сверхтекучестью. Когда гелий охлажден до «точки лямбда» в -270 градусов по Цельсию, часть жидкости становится сверхтекучей. Если охладить большую часть веществ до определенной точки, притяжение между атомами превосходит тепловые вибрации в веществе, позволяя им образовать твердую структуру. Но атомы гелия взаимодействуют между собой так слабо, что могут оставаться жидкими при температуре почти абсолютного нуля. Получается, при такой температуре характеристики отдельных атомов перекрываются, порождая странные свойства сверхтекучести.

У сверхтекучих веществ нет внутренней вязкости. Сверхтекучие вещества, помещенные в пробирку, начинают ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. Жидкий гелий легко утекает, поскольку может проскользнуть даже через микроскопические отверстия. Сверхтекучесть также обладает странными термодинамическими свойствами. В таком состоянии вещества обладают нулевой термодинамической энтропией и бесконечной теплопроводностью. Это означает, что два сверхтекучих вещества не могут быть термально различны. Если добавить в сверхтекучее вещество тепла, оно проведет его так быстро, что образуются тепловые волны, не свойственные для обычных жидкостей.

Конденсат Бозе - Эйнштейна

Конденсат Бозе - Эйнштейна - это, наверное, одна из самых известных непонятных форм материи. Во-первых, нам нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермион - это частица с полуцелым спином (например, электрон) или композитная частица (вроде протона). Эти частицы подчиняются принципу Паули, который позволяет существовать электронно-вырожденной материи. Бозон, однако, обладает полным целым спином, и одно квантовое состояние могут занимать несколько бозонов. Бозоны включают любые частицы-переносчики силы (вроде фотонов), а также некоторые атомы, включая гелий-4 и другие газы. Элементы в этой категории известны как бозонные атомы.

В 1920-х годах Альберт Эйнштейн взял за основу работу индийского физика Сатиендра Натх Бозе, чтобы предложить новую форму материи. Оригинальная теория Эйнштейна заключалась в том, что если вы охладите определенные элементарные газы до температуры в доли градуса выше абсолютного нуля, их волновые функции сольются, создав один «сверхатом». Такое вещество будет проявлять квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Но только в 1990-х годах появились технологии, необходимые для охлаждения элементов до таких температур. В 1995 году ученые Эрик Корнелл и Карл Виман смогли объединить 2000 атомов в конденсат Бозе - Эйнштейна, который был достаточно большим, чтобы его можно было разглядеть в микроскоп.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна тесно связаны со сверхтекучими веществами, но также обладают собственным набором уникальных свойств. Забавно и то, что БЭК может замедлять обычную скорость света. В 1998 году гарвардский ученый Лене Хау смог замедлить свет до 60 километров в час, пропустив лазер через сигарообразный образец БЭК. В более поздних экспериментах группе Хау удалось полностью остановить свет в БЭК, выключив лазер, когда свет проходил через образец. Эти эксперименты открыли новое поле коммуникаций на основе света и квантовых вычислений.

Металлы Яна - Теллера

Металлы Яна - Теллера - это новейшее дитя в мире состояний вещества, поскольку ученым удалось успешно создать их впервые лишь в 2015 году. Если эксперименты подтвердятся другими лабораториями, эти металлы могут изменить мир, так как они обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника.

Ученые во главе с химиком Космасом Прассидесом экспериментировали, вводя рубидий в структуру молекул углерода-60 (в простом народе известных под фуллеренами), что приводило к тому, что фуллерены принимают новую форму. Этот металл назван в честь эффекта Яна - Теллера, который описывает, как давление может изменять геометрическую форму молекул в новых электронных конфигурациях. В химии давление достигается не только за счет сжатия чего-то, но и за счет добавления новых атомов или молекул в ранее существовавшую структуру, изменяя ее основные свойства.

Когда исследовательская группа Прассидеса начала добавлять рубидий в молекулы углерода-60, молекулы углерода изменялись от изоляторов к полупроводникам. Тем не менее из-за эффекта Яна - Теллера молекулы пытались остаться в старой конфигурации, что создавало вещество, которое пыталось быть изолятором, но обладало электрическими свойствами сверхпроводника. Переход между изолятором и сверхпроводником никогда не рассматривался, пока не начались эти эксперименты.

Интересно в металлах Яна - Теллера то, что они становятся сверхпроводниками при высоких температурах (-135 градусов по Цельсию, а не при 243,2 градуса, как обычно). Это приближает их к приемлемым уровням для массового производства и экспериментов. Если все подтвердится, возможно, мы будем на шаг ближе к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что, в свою очередь, произведет революцию во многих отраслях нашей жизни.

Фотонное вещество

В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - безмассовые частицы, которые не взаимодействуют между собой. Тем не менее за последние несколько лет ученые MIT и Гарварда обнаружили новые способы «наделить» свет массой - и даже создать « молекулы света », которые отскакивают друг от друга и связываются вместе. Некоторые посчитали, что это первый шаг на пути к созданию светового меча.

Наука фотонной материи немного сложнее, но постичь ее вполне возможно. Ученые начали создавать фотонную материю, экспериментируя с переохлажденным рубидиевым газом. Когда фотон простреливает газ, он отражается и взаимодействует с молекулами рубидия, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из облака очень медленным.

Странные вещи начинают происходить, когда вы пропускаете два фотона через газ, что порождает явление, известное как блокада Ридберга. Когда атом возбуждается фотоном, близлежащие атомы не могут возбудиться до такой же степени. Возбужденный атом оказывается на пути фотона. Чтобы атом поблизости мог быть возбужден вторым фотоном, первый фотон должен пройти через газ. Фотоны обычно не взаимодействуют между собой, но встречаясь с блокадой Ридберга, они толкают друг друга через газ, обмениваясь энергией и взаимодействуя между собой. Снаружи кажется, что у фотонов есть масса и они действуют как единая молекула, хотя остаются на самом деле безмассовыми. Когда фотоны выходят из газа, они кажутся соединившимися, подобно молекуле света.

Практическое применение фотонной материи пока остается под вопросом, но оно, безусловно, будет найдено. Возможно, даже в световых мечах.

Неупорядоченная сверходнородность

Пытаясь определить, находится ли вещество в новом состоянии, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинджер из Принстонского университета предложили новое состояние вещества, известное как неупорядоченная сверходнородность. Хотя это словосочетание выглядит оксюмороном, в своей основе оно предполагает новый тип вещества, которое кажется неупорядоченным при ближайшем рассмотрении, но сверходнородным и структурированным издалека. Такое вещество должно обладать свойствами кристалла и жидкости. На первый взгляд, такое уже есть в плазмах и жидком водороде, но недавно ученые обнаружили природный пример там, где никто не ожидал: в курином глазу.

У кур есть пять колбочек в сетчатке. Четыре обнаруживают цвет и одна отвечает за уровни света. Однако, в отличие от человеческого глаза или шестиугольных глаз насекомых, эти колбочки рассредоточены случайно, не имеют реального порядка. Происходит это потому, что колбочки в глазу курицы имеют зоны отчуждения вокруг, а те не позволяют двум колбочкам одного типа находиться рядом. Из-за зоны отчуждения и формы колбочек они не могут образовывать упорядоченные кристаллические структуры (как в твердых веществах), но когда все колбочки рассматриваются как одно целое, оказывается, что они имеют высокоупорядоченный узор, как видно на изображениях Принстона ниже. Таким образом, мы можем описать эти колбочки в сетчатке куриного глаза как жидкость при ближайшем рассмотрении и как твердое вещество при взгляде издалека. Это отличается от аморфных твердых тел, о которых мы говорили выше, поскольку этот сверходнородный материал будет выступать как жидкость, а аморфное твердое тело - нет.

Ученые до сих пор исследуют это новое состояние вещества, поскольку оно, ко всему прочему, может быть более распространенным, чем считалось изначально. Сейчас ученые Принстонского университета пытаются приспособить такие сверходнородные материалы для создания самоорганизующихся структур и детекторов света, которые реагируют на свет с определенной длиной волн.

Струнные сети

Каким состоянием вещества является космический вакуум? Большинство людей не задумываются об этом, но в последние десять лет Сяо Ган-Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние вещества, которое могло бы привести нас к открытию фундаментальных частиц после электрона.

Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые, казалось, появились в эксперименте, когда электроны проходили между двумя полупроводниками. Возник переполох, поскольку квазичастицы действовали так, будто бы обладали дробным зарядом, что казалось невозможным для физики того времени. Ученые проанализировали данные и предположили, что электрон является не фундаментальной частицей Вселенной и что существуют фундаментальные частицы, которых мы пока не обнаружили. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты их работы закралась ошибка в эксперименте. О квазичастицах благополучно забыли.

Но не все. Вэнь и Левин взяли за основу идею квазичастиц и предложили новое состояние вещества, струнно-сетевое. Основным свойством такого состояния является квантовая запутанность. Как и в случае с неупорядоченной сверходнородностью, если вы с близкого расстояния взглянете на струнно-сетевое вещество, оно будет похоже на неупорядоченный набор электронов. Но если взглянуть на него как на цельную структуру, вы увидите высокую упорядоченность из-за квантово-запутанных свойств электронов. Вэнь и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутанности.

Проработав компьютерные модели для нового состояния вещества, Вэнь и Левин обнаружили, что концы струн-сетей могут производить разнообразные субатомные частицы, включая легендарные «квазичастицы». Еще большим сюрпризом стало то, что при вибрации струнно-сетевого вещества оно делает это в соответствии с уравнениями Максвелла, отвечающими за свет. Вэнь и Левин предположили, что космос наполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и что концы этих струн-сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Также они предположили, что струнно-сетевая жидкость может обеспечивать существование света. Если космический вакуум заполнен струнно-сетевой жидкостью, это может позволить нам объединить свет и материю.

Все это может показаться очень надуманным, но в 1972 году (за десятки лет до струнно-сетевых предложений) геологи обнаружили в Чили странный материал - гербертсмитит. В этом минерале электроны образуют треугольные структуры, которые, похоже, противоречат всему, что мы знаем о взаимодействии электронов друг с другом. Кроме того, эта треугольная структура была предсказана в рамках струнно-сетевой модели, и ученые работали с искусственным гербертсмититом, чтобы точно подтвердить модель.

Кварк-глюонная плазма

Говоря о последнем состоянии вещества в этом списке, рассмотрим состояние, с которого все началось: кварк-глюонная плазма. В ранней Вселенной состояние материи существенно отличалось от классического. Для начала немного предыстории.

Кварки - это элементарные частицы, которые мы находим внутри адронов (например, протонов и нейтронов). Адроны состоят либо из трех кварков, либо из одного кварка и одного антикварка. Кварки имеют дробные заряды и скрепляются глюонами, которые являются частицами обмена сильного ядерного взаимодействия.

Мы не видим свободные кварки в природе, но сразу после Большого Взрыва в течение миллисекунды свободные кварки и глюоны существовали. В течение этого времени температура Вселенной была настолько высокой, что кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. Во время этого периода Вселенная состояла целиком и полностью из этой горячей кварк-глюонной плазмы. Спустя другую долю секунды Вселенная остыла достаточно, чтобы образовались тяжелые частицы вроде адронов, а кварки начали взаимодействовать между собой и глюонами. С этого момента началось образование известной нам Вселенной, и адроны начали связываться с электронами, создавая примитивные атомы.

Уже в современной Вселенной ученые пытались воссоздать кварк-глюонную плазму в больших ускорителях частиц. В процессе этих экспериментов тяжелые частицы вроде адронов сталкивались друг с другом, создавая температуру, при которой кварки отделялись на короткое время. В процессе этих экспериментов мы узнали много нового о свойствах кварк-глюонной плазмы, в которой совершенно отсутствовало трение и которая была больше похожа на жидкость, чем обычная плазма. Эксперименты с экзотическим состоянием материи позволяют нам узнавать много нового о том, как и почему наша Вселенная образовалась такой, какой мы ее знаем.

Ноя 15, 2017 Геннадий

Физики Михаил Лукин и Владан Вулетич провели эксперимент, в котором фотоны взаимодействуют, подобно частицам в молекуле. До сих пор это считалось возможным только в теории.

Михаилу Лукину (Гарвард) и Владану Вулетичу (Массачусетский технологический институт) удалось заставить фотоны связываться и образовывать некое подобие молекулы. Экспериментально получено новое состояние материи, возможность существования которого до этого рассматривалась лишь теоретически. Их работа описана в журнале Nature от 25 сентября.

Это открытие, утверждает Лукин, идёт вразрез с накопленными за десятки лет представлениями о природе света. Фотоны традиционно описываются как частицы, не имеющие массы и не взаимодействующие друг с другом: если пустить два лазерных луча строго навстречу, они просто пройдут насквозь один через другой.

«Большинство известных нам свойств света обусловлены тем, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом, - говорит Лукин. - Но нам удалось создать среду особого типа, в которой фотоны взаимодействуют настолько сильно, что начинают вести себя как если бы имели массу, и связываются друг с другом, образуя молекулы. Этот тип связанного состояния фотонов уже довольно давно обсуждается теоретически, но до сих пор его не удавалось наблюдать».

По словам Лукина, аналогия со световым мечом, который так любят авторы космического фэнтэзи, не будет большой натяжкой. Когда такие фотоны взаимодействуют, они отталкиваются друг от друга и отклоняются в сторону. То, что происходит в этот момент с молекулами, похоже на сражение световых мечей в кино.

Чтобы заставить фотоны, в норме не имеющие массы, связываться друг с другом, Лукин и коллеги (Офер Фистерберг и Алексей Горшков из Гарварда и Тибо Пейронель и Ци Лян из Массачусетса) создали для них экстремальные условия. Исследователи закачали в вакуумную камеру атомы рубидия, затем, с помощью лазера, охладили атомное облако почти до абсолютного нуля. С помощью сверхслабых лазерных импульсов они выстреливали в это облако единичными фотонами.
«Когда фотон попадает в облако холодных атомов, - рассказывает Лукин, - его энергия приводит атомы, которые «встретились ему на пути», в состояние возбуждения, что резко замедляет движение фотона. По мере того, как он движется сквозь облако, его энергия переходит от атома к атому и в конце концов выходит из облака вместе с фотоном. Когда фотон выходит из этой среды, его идентичность сохраняется. Это тот же эффект, который мы наблюдаем при преломлении света в стакане воды. Свет входит в воду, передаёт часть своей энергии среде и существует внутри неё одновременно как свет и вещество. Но выйдя из воды, он по-прежнему остается светом. В проведенном эксперименте с фотонами происходит примерно то же, только в более высокой степени: свет существенно замедляется и передаёт среде больше энергии, чем при рефракции».

Выстрелив в облако двумя фотонами, Лукин и коллеги обнаружили, что выходят они вместе, как единая молекула.
«Этот эффект называется блокадой Ридберга, - объясняет Лукин. - Он заключается в том, что когда атом находится в возбуждённом состоянии, ближние к нему атомы не могут быть возбуждены до той же степени. Практически это значит, что когда в атомное облако входят два фотона, первый возбуждает какой-либо атом, но должен продвинуться вперёд прежде, чем второй фотон приведёт в возбуждение соседний. В результате по мере того, как энергия двух фотонов переходит от атома к атому, они как бы тянут и толкают друг друга сквозь атомное облако. Фотонное взаимодействие обусловлено атомным взаимодействием. Оно заставляет два фотона вести себя подобно молекуле, и среду они с высокой вероятностью покинут вместе, как один фотон».

Этот необычный эффект имеет ряд практических применений.

«Мы делаем это для собственного удовольствия и чтобы расширить границы знания, - говорит Лукин. - Но наши результаты хорошо вписываются в большую картину, поскольку фотоны остаются лучшим на сегодняшний день средством для переноса квантовой информации. До сих пор основным препятствием для использования их в этом качестве было отсутствие взаимодействия между ними».

Чтобы создать квантовый компьютер, нужно создать систему, которая могла бы сохранять квантовую информацию и обрабатывать её, используя операторы квантовой логики. Основная трудность здесь в том, что квантовая логика требует взаимодействия между одиночными квантами, тогда систему можно будет «включать» для обработки информации.

«Нам удалось показать, что это возможно, - говорит Лукин. - Но прежде, чем мы получим работающий квантовый переключатель или создадим фотонную логику, нам ещё предстоит повысить эффективность процесса; сейчас это скорее образец, демонстрирующий принципиальную идею. Но и он представляет собой большой шаг: физические принципы, которые утверждает эта работа, очень важны».

Система, продемонстрированная исследователями, может пригодиться даже в классическом компьютинге, где потребности в разнообразных носителях постоянно растут. Некоторые компании, в том числе IBM, работают над системами на основе оптических роутеров, способных преобразовывать световые сигналы в электрические, но у этих систем тоже есть ограничения.

Лукин также предположил, что разработанная его группой система когда-нибудь сможет использоваться для создания из света трёхмерных кристаллоподобных структур.
«Мы пока не знаем, как их можно применить, - сказал он, - но это новое состояние материи; мы надеемся, что прикладной смысл появится по мере того, как мы будем дальше исследовать свойства фотонных молекул.

По материалам :

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić.

Текущая версия страницы пока не проверялась

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от, проверенной 9 ноября 2018; проверки требует.

Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й. Р. Ридберга) - водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней n порядка 1000). Для перевода атома из основного в возбуждённое состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 10 6 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).

Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу

Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n :

где Ry = 13,6 эВ есть постоянная Ридберга , а δ - дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n -м и (n  + 1)-м уровнями энергии равна

Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

Длина волны излучения атома водорода при переходе с n ′ = 91 на n = 90 равна 3,4 см .

При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».

Когерентное управление дипольной блокадой ридберговских атомов лазерным светом делает их перспективным кандидатом для практической реализации квантового компьютера . По сообщениям научной печати, до 2009 года важный для вычислений элемент квантового компьютера двух-кубитный вентиль экспериментально не был реализован. Однако, имеются сообщения о наблюдении коллективного возбуждения и динамического взаимодействия между двумя атомами и в мезоскопических образцах.

Сильно взаимодействующие ридберговские атомы характеризуются квантовым критическим поведением, что обеспечивает фундаментальный научный интерес к ним независимо от приложений.

Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов, можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.

В 2009 году исследователями из удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.) .

Первые экспериментальные данные по ридберговским атомам в радиоастрономии были получены в 1964 году Р. С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны λ ≃ 3,4 см . Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями n ′ = 91 и n = 90 в спектре атома водорода

Щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней n порядка 1000). Для перевода атома из основного в возбуждённое состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 10 6 раз для n = 1000 (см. таблицу ниже).

Свойства ридберговских атомов

Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу

где ( - диэлектрическая восприимчивость), e - заряд электрона.

Орбитальный момент в единицах ħ равен

Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии n :

Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние.

Энергия связи такого водородоподобного атома равна

где Ry = 13.6 эВ есть постоянная Ридберга , а δ - дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n -ым и n+1 -ым уровнями энергии примерно равна

Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

где a B = 0.5·10 −10 м - боровский радиус , а T 1 ~ 10 −16 с .

Длина волны излучения атома водорода при переходе с n ′ = 91 на n = 90 равна 3,4 см

Дипольная блокада ридберговских атомов

При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление, получившие название «дипольная блокада».

В разреженном атомном паре расстояние между атомами, находящимся в основном состоянии, велико, и взаимодействия между атомами практически нет. Однако, при возбуждении атомов в ридберговское состояние их радиус орбиты увеличивается в и достигает величины порядка 1 мкм. В результате атомы «сближаются», взаимодействие между ними значительно увеличивается, что вызывает смещение энергии состояний атомов. К чему это приводит? Предположим, что слабым импульсом света удалось возбудить только один атом из основного в риберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за «дипольной блокады» становится заведомо невозможной .

Направления исследования и возможные применения

Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов, можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.

Фундаментальные направления исследования:

Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения

В 2009 году исследователями из удалось получить Ридберговскую молекулу (англ.) русск. .

Радиоастрономия

Первые экспериментальные данные по ридберговским атомам в радиоастрономии были получены в 1964 году Р. С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны λ ≃ 3,4 см . Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями n ′ = 91 и n = 90 в спектре атома водорода .

Примечания

Литература

• Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke К. et al. Spectroscopy of Rydberg Atoms at n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.
• Frey M. T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studies of Electron-Molecule Scattering at Microelectronvolt Energies Using Very-High-n Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, № 5. P. 810-813.
• Сороченко Р. Л., Саломонович A.E. Гигантские атомы в космосе // Природа. 1987. № 11. С. 82.
• Далгарно А. Ридберговские атомы в астрофизике // Ридберговские состояния атомов и молекул: Пер. с англ. / Под ред. Р. Стеббинса, Ф. Даннинга. М.: Мир. 1985. С. 9.
• Смирнов Б. М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.

Ссылки

• Делоне Н. Б. Ридберговские атомы // Соросовский образовательный журнал , 1998, № 4, с. 64-70
• «Конденсированное ридберговское вещество» , Э. А. Маныкин, М. И. Ожован, П. П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Взгляд на свет в новом свете: Учёные создали невиданную форму материи. (перевод статьи)

• Tutorial

Учёные Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT - МТИ) меняют общепринятую точку зрения о свете и для этого им не пришлось лететь в другую далёкую-предалёкую галактику.
 Работая с коллегами из центра Ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетcа, группа профессора физики Гарварда Михаила Лукина и профессора физики МТИ Владана Вулетича смогла заговорить фотоны, чтобы они связались вместе в форму молекулы - состояние материи прежде бывшее только в чистой теории. Работа описана в статье Nature 25 сентября.

Со слов Лукина открытие вскрывает десятилетнее общепринятое противоречие, лежащее в основе природы света. «Фотоны уже давно считались безмассовыми частицами, которые не взаимодействуют друг с другом - ведь сияние двух лучей лазера, просто проходит сквозь друг друга» - говорит он.
«Фотонные молекулы», тем не менее, ведут себя не вполне как традиционные лазеры, а в большей степени как на страницах научной фантастики - световые мечи.

 «Большая часть известных свойств света происходит из того, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом, То что мы сделали - это создали особый тип среды, в которой фотоны стали взаимодействовать друг с другом так сильно, что начинают действовать так, будто у них есть масса и связываются вместе в молекулы.
Этот тип состояния фотонной связи теоретически обсуждался довольно-таки давно, но до сих пор его не наблюдали.
Не стоит проводить прямую аналогию со световыми мечами,» - добавляет Лукин. «Когда эти фотоны взаимодействуют друг с другом, они отталкиваются и отражают друг друга. Физика того, что происходит в этих молекулах похожа на то, что мы видим в кино.»
 Но использовать «Силу» Лукину и его коллегам, включая Офера Фистерберга, Алексея Горшкова, Тибо Пейронэль и Чи-Ю Лянь, не представилось возможности, пришлось пользоваться набором экстремальных условий.
Исследователи начали с накачки атомов рубидия в вакуумной камере, затем лазерами охладили облако атомов до минимума, чуть выше абсолютного нуля, используя экстремально слабые импульсы лазера, они выстрелили одним фотоном в облако атомов.
 «После выхода фотона из среды, он сохраняет свою идентичность,» - Лукин (Lukin). «Это похоже на эффект преломления света, который мы видим при прохождении света через стакан с водой. Свет проникает в воду и расплёскивает часть своей энергии в среде, но внутри неё он существует как свет и материя соединённые вместе, а когда выходит - продолжает быть светом. Тут примерно происходит такой же процесс, только ещё круче - свет сильно замедляется и выделяет гораздо больше энергии, чем при преломлении.»

Когда Лукин и его коллеги выпустили два фотона в облако их удивило то, что фотоны на выходе объединились в одну молекулу.
Что заставило их сформировать никогда-невиданную молекулу?

 «Этот эффект называется блокада Райдберга,» - сказал Лукин, - " который описывает состояние атомов, когда атом возбуждён - соседние атомы не могут быть возбуждены в той же степени. На практике эффект обозначает, что как только два фотона входят в атомарное облако, первый возбуждает атом, но должен оказаться впереди раньше, чем второй фотон сможет возбудить соседние атомы."
В результате, с его слов, получается, что два фотона как бы тянут и толкают друг друга через облако, в то время как их энергия перекидывается от одного атома к другому.
«Это фотонное взаимодействие опосредованное атомным взаимодействием,» - говорит Лукин. «Это заставляет фотоны вести себя как молекулы и когда они выходят из среды, наиболее вероятно они сделают это вместе, а не как единичные фотоны.»
Хотя эффект и необычен для него возможно практическое применение.
 «Мы это делали for fun (для развлечения), ну и потому что мы раздвигаем границы науки,» - говорит Лукин.
«Но это включается в более широкую картину того, что мы делаем, потому что фотоны остаются наилучшим возможным средством для передачи квантовой информации. Главным недостатком было то, что фотоны не взаимодействуют друг с другом.
Чтобы построить квантовый компьютер,» - объясняет он, - " исследователям нужно построить систему, которая сможет хранить квантовую информацию, и обрабатывать её с помощью операций квантовой логики.
Но проблема была в том, что квантовая логика требует взаимодействия между отдельными квантами, чтобы эти квантовые системы могли переключаться для выполнения обработки информации.
То, что мы продемонстрировали в этом процессе, позволит нам пойти дальше" - сказал профессор Гарварда Михаил Лукин.

 «Прежде чем мы дойдём до практического применения квантового переключателя или преобразователя фотонной логики, мы должны усовершенствовать производительность, так что это всё ещё находится на уровне доказательства концепции, но это важный шаг.
Установленные нами здесь физические принципы являются важными. Система может быть полезна также и в классических вычислениях, для снижения потерь мощностей, которые сейчас испытывают производители чипов.
 Некоторые компании, включая IBM, разрабатывали системы, основанные на оптических маршрутизаторах, которые преобразовывают световые сигналы в электрические, но у них были определённые сложности.»
Лукин также предположил, что система может в один прекрасный день быть использована даже для создания сложной трёхмерной структуры - такой как кристалл - полностью из света.
«Для чего это будет полезно, мы ещё не знаем толком, но это новое состояние вещества, поэтому мы полны надежд, что применение для него может возникнуть в процессе продолжения нашего исследования свойств этих фотонных молекул», - сказал он.

Harvard University (2013, September 25). Seeing light in a new light: Scientists create never-before-seen form of matter. ScienceDaily. Retrieved September 25, 2013, from