Атомы поляризуются лучом света и начинают притягиваться друг к другу. Предоставлено: Харальд Рич / TU Wien

Теоретически этот эффект был предсказан давно, но теперь ученым из Венского центра квантовой науки и технологии (VCQ) Венского технического университета в сотрудничестве с Инсбрукским университетом удалось впервые измерить эту экзотическую атомную связь. Это взаимодействие полезно для управления чрезвычайно холодными атомами, и этот эффект также может играть роль в формировании молекул в космосе. Результаты опубликованы в научном журнале Physical Review X.

Положительный и отрицательный заряд

В электрически нейтральном атоме положительно заряженное атомное ядро ​​окружено отрицательно заряженными электронами, которые окружают атомное ядро ​​подобно облаку. «Если теперь вы включите внешнее электрическое поле, это распределение заряда немного сместится», — объясняет профессор Филипп Хаслингер, чьи исследования в Атомном институте Венского технического университета поддерживаются программой FWF START. « Положительный заряд немного смещается в одном направлении, отрицательный — немного в другом, у атома вдруг появляются положительная и отрицательная стороны, он поляризуется».

Свет — это просто электромагнитное поле, которое очень быстро меняется, поэтому эффект поляризации также можно создать с помощью лазерного излучения. Когда несколько атомов находятся рядом друг с другом, лазерный свет поляризует их всех одинаково — положительно слева и отрицательно справа, или наоборот. В обоих случаях два соседних атома поворачивают друг к другу разные заряды, что приводит к возникновению силы притяжения.

Эксперименты с атомной ловушкой

«Это очень слабая сила притяжения, поэтому нужно очень тщательно проводить эксперимент, чтобы измерить ее», — говорит Мира Майвогер из TU Wien, первый автор публикации. «Если атомы обладают большой энергией и движутся быстро, сила притяжения немедленно исчезает. Вот почему было использовано облако ультрахолодных атомов».

Атомы сначала захватываются и охлаждаются в магнитной ловушке на атомном чипе, метод, который был разработан в Атоминституте в группе профессора Йорга Шмидмайера. Затем ловушка выключается и выпускает атомы в свободное падение. Облако атомов «сверххолодное» при температуре менее одной миллионной доли Кельвина, но у него достаточно энергии, чтобы расшириться во время падения. Однако, если атомы поляризуются лазерным лучом во время этой фазы и таким образом между ними создается сила притяжения, это расширение атомного облака замедляется — и так измеряется сила притяжения.

Квантовая лаборатория и космос

«В поляризации отдельных атомов с помощью лазерных лучей нет ничего нового», — говорит Матиас Зоннлейтнер, заложивший теоретическую основу эксперимента. «Главное в нашем эксперименте, однако, заключается в том, что нам впервые удалось поляризовать несколько атомов контролируемым образом, создав измеримую силу притяжения между ними».

Эта сила притяжения является дополнительным инструментом для управления холодными атомами. Но это также может быть важно в астрофизике: «В безбрежности космоса малые силы могут играть значительную роль», — говорит Филипп Хаслингер. «Здесь мы смогли впервые показать, что электромагнитное излучение может создавать силу между атомами, что может помочь пролить новый свет на астрофизические сценарии, которые еще не были объяснены».