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
Команда физиков из Центра ультрахолодных атомов при Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms) под руководством нашего соотечественника Михаила Лукина получила ранее невиданный тип материи.
Это вещество, по словам авторов исследования, противоречит представлениям учёных о природе света. Фотоны считаются безмассовыми частицами, неспособными взаимодействовать друг с другом. Например, если направить два лазерных луча друг на друга, то они просто пройдут насквозь, никак не взаимодействуя между собой.
Но на этот раз Лукину и его команде удалось экспериментально опровергнуть это убеждение. Они заставили частицы света образовать друг с другом прочную связь и даже собираться в молекулы. Ранее такие молекулы были только в теории.
"Фотонные молекулы ведут себя не как обычные лазерные лучи, а как нечто близкое к научной фантастике - джедайские световые мечи, например", - заявляет Лукин.
"Большинство описанных свойств света исходят из убеждения об отсутствии массы у фотонов. Именно поэтому они никак не взаимодействуют друг с другом. Всё, что мы сделали, это создали особую среду, в которой частицы света взаимодействуют друг с другом так сильно, что начинают вести себя, как если бы у них была масса, и формируются в молекулы", - поясняет физик.
В создании фотонных молекул, а точнее, среды, пригодной для их формирования, Лукин и его коллеги не могли рассчитывать на Силу. Им пришлось провести сложный эксперимент с точными расчётами, но абсолютно поразительными результатами.
Для начала исследователи поместили атомы рубидия в вакуумную камеру и использовали лазеры, чтобы охладить атомное облако всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Затем, создавая очень слабые лазерные импульсы, учёные направляли в рубидиевое облако по одному фотону.
"Когда фотоны входят в облако холодных атомов, их энергия заставляет атомы переходить в возбуждённое состояние. В результате частицы света замедляются. Фотоны движутся сквозь облако, а энергия передаётся от атома к атому до тех пор, пока не покинет среду вместе с самим фотоном. При этом состояние среды сохраняется таким же, каким было до "посещения" фотона", - рассказывает Лукин.
Авторы исследования сравнивают этот процесс с преломлением света в стакане воды. Когда луч проникает в среду, то отдаёт ей часть своей энергии и внутри стакана он представляет собой "связку" между светом и материей. Но, выходя из стакана, он всё также является светом. Практически тот же процесс имеет место в эксперименте Лукина. Физическая разница лишь в том, что свет сильно замедляется и отдаёт больше энергии, чем при обычном преломлении в стакане с водой.
На следующем этапе эксперимента учёные отправили в рубидиевое облако два фотона. Каково же было их удивление, когда они поймали на выходе два связанных в молекулу фотона. Это можно назвать единицей невиданного ранее вещества. Но в чём причина такой связи?
Эффект был описан ранее теоретически и носит название блокады Ридберга. Согласно этой модели, при возбуждении одного атома другие соседние атомы не могут перейти в то же самое возбуждённое состояние. На практике это означает, что при вхождении двух фотонов в облако из атомов, первый будет возбуждать атом и продвигаться вперёд, прежде чем второй фотон возбудит соседние атомы.
В результате два фотона будут толкать и тянуть друг друга, проходя через облако, пока их энергия передаётся от одного атома к другому.
"Это фотонное взаимодействие, которое опосредованно взаимодействием атомным. Благодаря этому два фотона будут вести себя как одна молекула, нежели как две отдельные частицы, на выходе из среды", - поясняет Лукин.
Авторы исследования признаются, что провели этот эксперимент больше для забавы, чтобы проверить на прочность фундаментальные границы науки. Однако у такого удивительного открытия может быть масса практических применений.
К примеру, фотоны являются оптимальным носителем квантовой информации, проблемой был лишь тот факт, что частицы света не взаимодействуют друг с другом. Чтобы построить квантовый компьютер, необходимо создать систему, которая будет хранить единицы квантовой информации и обрабатывать её с помощью квантовых логических операций.
Проблема состоит в том, что такая логика требует взаимодействия между отдельными квантами таким образом, чтобы системы переключались и выполняли обработку информации.
"Наш эксперимент доказывает, что это возможно. Но перед тем, как мы займёмся созданием квантового переключателя или фотонного логического вентиля, нам необходимо улучшить производительность фотонных молекул", - говорит Лукин. Таким образом, нынешний результат лишь доказательство работы концепции на практике.
Открытие физиков будет полезно и в производстве классических компьютеров и вычислительных машин. Оно поможет решить ряд проблем, связанных с потерями мощности, с которыми сталкиваются производители компьютерных чипов.
Если говорить о далёком будущем, то однажды последователи Лукина смогут, вероятно, создать трёхмерную структуру, вроде кристалла, состоящую полностью из света.
Описание эксперимента и выводы учёных можно почитать в статье Лукина и его коллег, опубликованной в журнале Nature.
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
РИДБЕРГОВСКИЕ СОСТОЯНИЯ - состояния атомов, ионов и молекул с большими значениями главного n (высоковозбуждённые состояния). Названы в честь И. Р. Ридберга (J. R. Rydberg), впервые экспериментально исследовавшего атомные спектры вблизи границы .
Р. с. атомов и ионов характеризуются чрезвычайно малыми (по атомным масштабам) ионизац. потенциалами, большими временами жизни (т. к. вероятность излучат. квантовых переходов с них мала) и большими радиусами орбит высоковозбуждённого (ридберговского) электрона. Р. с. подобны состояниям атома водорода. Переходы между соседними Р. с. лежат в радиодиапазоне. Большое значение п позволяет применять для описания Р. с. квазиклассич. приближение и использовать для них понятия классич. механики. Большие размеры орбит и малые энергии связи ридбертовского электрона обусловливают высокую чувствительность Р. с. к воздействию электрич. и магн. полей и большие эфф. сечения взаимодействия атомов в Р. с. с заряженными частицами.
В табл. 1 приведены значения осн. характеристик атомов и атомных ионов, находящихся в Р. с.
Табл. 1
.
Систематич. изучение Р. с. стало возможным с нач. 1970-х гг. благодаря успехам лазерной спектроскопии , позволившей исследовать в лаб. условиях Р. с. с га ~300, а также радиоастрономии, т. к. в межзвёздных облаках были обнаружены линии поглощения между Р. с. с га 700.
Волновые функции и энергии ридберговских состояний атомов. Волновые
функции
Р. с. с хорошей точностью могут быть представлены как произведение
волновых ф-ций ридберговского электрона и оставшейся атомной системы -
атомного остатка. Свойства атома в Р. с. в основном определяются волновой
ф-цией высоковозбуждённого электрона, к-рая является собств. ф-цией :
где - оператор импульса, U(r ) - потенциальная энергия взаимодействия ридберговского электрона с атомным остатком. При расстояниях r электрона от атомного ядра, много больших размеров атомного остатка, U(r )переходит в кулоновский потенциал: U(r) = Ze 2 /r .
Энергии Р. с. изолиров. атома, отсчитанные от границы ионизации, определяются
ф-лой Ридберга:
где М - масса атомного остатка, - квантовый дефект ,слабо зависящий от n и для орбитального квантового числа l > 2 очень быстро уменьшающийся с ростом l . Величины для S-, Р - и D -состояний атомов щелочных металлов приведены в табл. 2.
Табл. 2
.
Вероятности излучат. квантовых переходов атома на Р. с. быстро падают
с ростом п
и l
. Для изолиров. атома в Р. с. с данными га
и l
время жизни
. Если распределение атомов по l
термодинамически равновесное [~(2l
+ 1)]
, то вероятность
излучат. переходов между Р. с. с n
и n"
определяется ф-лой
Крамерса (с ошибкой менее 20%):
где - энергии уровней, отсчитанные от границы ионизации. Ср. вероятность перехода с данного уровня на все др. уровни энергии есть величина, обратная ср. времени жизни системы на данном уровне.
Ридберговские состояния в электрическом поле
принципиально нестационарны
- происходит ионизация атома полем. Однако для слабых полей вероятность
автоионизации (ионизации полем
)экспоненциально мала и Р. с. можно
считать квазистационарными. В электрич. поле высоковозбущдённые уровни
энергии испытывают штарковское расщепление и сдвиг (см. Штарка эффект
),их волновые ф-ции являются собств. ф-циями гамильтониана:
где H 0
- гамильтониан (1) атома в отсутствие поля.
Если потенциальная энергия U(r
)имеет кулоновскую природу (т. е.
Н 0
- гамильтониан водородоподобного иона), то ур-ние
Шрёдингера, соответствующее гамильтониану (4), разделяется в параболич.
координатах. Проекция магн. момента на направление поля по-прежнему является
интегралом движения. С точностью до второго порядка теории возмущений энергия
стационарных состояний, отсчитанная от границы ионизации, даётся выражением
(n 1
, n 2
- параболич. квантовые числа,
удовлетворяющие условию: n 1 + n 2 + 1 = n
-
т, т
- магн. квантовое число). Выражение fe-ro порядка теории возмущений
приведено в . Ф-ла (5) справедлива и для Р. с. в неводородоподобных
атомах, если масштаб штарковского расщепления, определяемый вторым слагаемым,
превышает разность энергий между состояниями с разными
. На рис. 1 в качестве примера приведена схема уровней Li в электрич. поле.
Рис. 1. Схема уровней энергии атома Li в электрическом поле для n ~ 15 (|m| = 1) .
Вероятность ионизации электрич. полем водородоподобных атомов в Р. с.
определяется асимптотич. ф-лой :
Вероятность ионизации атома в Р. с. резко возрастает, когда напряжённость
электрич. поля Е
приближается к значению
, при к-ром возможна автоионизация в рамках классич. механики.
Ридберговские состояния в магнитном поле
. В отличие от обычных
слабовозбуждённых состояний, для к-рых осн. роль играет парамагн. взаимодействие
атома с магн. полем (см. Зеемапа эффект, Пашена - Бака эффект)
, для
атомов в Р. с. важную роль играет диамагн. взаимодействие, очень быстро
растущее с увеличением п. Р. с. в магн. поле описывается гамильтонианом:
где L
и S - полный момент и спин атома соответственно, В
- магн. индукция,
- магнетон Бора,
- угол между радиусом-вектором ридберговского электрона и вектором напряжённости
магн. поля. Второе слагаемое описывает парамагнитное, третье - диамагнитное
взаимодействия. Для Р. с. диамагн. взаимодействие растёт
и для высоких п
становится определяющим. В слабых полях осн. роль
играет второе слагаемое, к-рое даёт расщепление по m-компонентам с характерной
величиной,
качественно такое же, как и для слабо возбуждённых состояний. С ростом
напряжённости поля увеличивается вклад диамагн. взаимодействия, к-рое связывает
состояния с одинаковыми m l
и
.
[Для состояния 4p (т =
1) в атоме водорода диамагн. и парамагн.
взаимодействия выравниваются при В =
2*10 7 Гс.] Каждый
уровень с квантовыми числами п
и т
расщепляется на
компонент. С дальнейшим увеличением напряжённости поля начинают перемешиваться
уровни с разными п
и спектр водорода в магн. поле (рис. 2) становится
похожим на спектр атома в электрич. поле. В случае предельно сильных полей
осн. роль играет взаимодействие с магн. полем и Р. с. являются состояниями
Ландау (см. Ландау уровни
).,Кулоновское взаимодействие при этом
можно рассматривать как возмущение.
Рис. 2. Схема уровней энергии атома H в ридберговских состояниях в магнитном поле (т = 1, чётные состояния) .
Взаимодействие атомов в ридберговском состоянии с заряженными частицами
. Эфф. сечения s квантовых переходов в атомах, находящихся в Р. с. при
столкновениях с заряженными частицами (электронами, ионами), растут как
геом. сечение ~n 4 . Для переходов с малыми
осн. роль играет дальнодействующее дипольное взаимодействие, к-рое приводит
к
,
а при больших энергиях внеш. частицы
зависимость от энергии даётся множителем
(квантовый логарифм!). С ростом
всё большую роль начинает играть короткодействующее взаимодействие, позволяющее
пренебречь полем атомного остатка в процессе столкновения, а само столкновение
рассматривать в рамках классич. механики. Этот подход, называемый классич.
бинарным приближением, позволяет получить
;
при больших энергиях.
В приближении Борна сечение перехода
при столкновении с электронами определяется ф-лой (3):
Ф-ция для п = 100 приводится в табл. 3.
Т а б л. 3
.
Переходы между Р. с. при столкновениях с электронами являются осн. причиной дополнительного (помимо доплеровского) неупругого уширения рекомбинационных радиолиний , наблюдаемых от ряда астрофиз. объектов (планетарных туманностей, межзвёздной среды, зон НИ и т. д.).
В столкновит. переходах между Р. с. с одинаковым п осн. роль, как правило, играют ионы. Наиб. велики сечения для переходов между соседними уровнями , обусловленные дипольным взаимодействием. Они на порядок и более превосходят геом. сечение
Взаимодействие атомов в ридберговском состоянии с нейтральными атомами
. Если п
достаточно велико, то сечение процесса взаимодействия
атомов в Р. с. с нейтральными атомами выражается через амплитуду рассеяния
свободного электрона на нейтральном атоме и амплитуду рассеяния атома на
положительно заряженном атомном остатке. Напр., в результате взаимодействия
с нейтральными атомами Р. с. испытывают уширение
и сдвиг,
пропорциональные концентрации возмущающих частиц N:
коэф. выражаются через амплитуду упругого рассеяния электрона на атоме и параметры взаимодействия нейтрального атома с атомным остатком и для достаточно больших п стремятся к константам; в промежуточной области их поведение может быть весьма сложным и зависит от конкретного вида возмущающих частиц. Для атомов Cs в Р. с., возмущаемых, напр., атомами Аг, асимптотич. значения ,; если возмущающими атомами являются атомы Cs, то увеличивается в 20 раз, а - на 2 порядка. Асимитотич. значений коэф. и достигают при взаимодействии с атомами инертных газов при , а при взаимодействии с атомами щелочных металлов при . Поведение сечений др. процессов взаимодействия атомов в Р. с. с нейтральными атомами (перемешивание состояний по l, дезориентация и др.) качественно аналогично поведению сечений уширения.
Лабораторные эксперименты. Р. с. в лаб. условиях создаются чаще всего возбуждением атома из осн. состояния одним или неск. световыми пучками большой интенсивности (по крайней мере на первом этапе возбуждения - накачке). Для накачки обычно используется N 2 -лазер или вторая (третья) гармоника лазера на неодимовом стекле. Чтобы получать Р. с. с заданными квантовыми числами п, l, т , на втором этапе атомную систему возбуждают излучением мощных перестраиваемых лазеров на красителях.
Для регистрации Р. с. наиб. распространение получили флуоресцентный метод и метод ионизации электрич. полем. Флуоресцентный метод основан на анализе каскадного испускания света при переходах атома из Р. с. Этот метод обладает селективностью, однако интенсивность регистрируемого излучения в видимой области в этом случае мала. Флуоресцентный метод используют, как правило, для исследования Р. с. с п < 20.
В методе ионизации электрич. полем регистрируются электроны, освобождающиеся в результате ионизации атома в Р. с. при воздействии на него электрич. поля. В этом случае селективность обеспечивается чрезвычайно резкой зависимостью вероятности ионизации от квантовых чисел п и т . Чаще всего этот метод используется в режиме с временным разрешением: после импульсного возбуждения Р. с. подаётся пилообразный импульс электрич. поля. Каждое Р. с. в разрешённом по времени ионизац. сигнале даёт пик через строго определённое время от момента включения поля. Метод отличается простотой, высокой чувствительностью и в отличие от флуоресцентного метода особенно эффективен при исследовании Р. с. с большими п , когда для ионизации не требуется высоких напряжений электрич. полей.
Спектры атомов и ионов в Р. с. исследуются разл. методами. С помощью обычных многомодовых лазеров достигается спектральное разрешение порядка доплеровской ширины уровня, что позволяет исследовать Р. с. с . Если требуется более высокое разрешение, то используют метод скрещенных атомно-лазерных пучков, дающий разрешение в несколько Мгц, или методы нелинейной лазерной спектроскопии. Напр., методом двухфотонной спектроскопии был получен спектр с разрешением порядка Кгц. В тех случаях, когда интерес представляют интервалы между соседними Р. с., более удобны методы радиоспектроскопии , , квантовых биений и пересечения уровней (см. Интерференция состояний ). Вместо настройки частоты излучения на частоту перехода между Р. с., на заданную внеш. полем частоту можно настраивать сами Р. с. В этом случае Р. с. позволяют усиливать слабый микроволновый сигнал. Этим методом получена чувствительность в миллиметровом диапазоне; есть основания ожидать повышение чувствительности ещё на 2 порядка.
Особый интерес представляют эксперименты с атомами в Р. с. в резонаторах. Для п ~ 30 переходы между Р.. с. лежат в миллиметровом диапазоне, для к-рого существуют резонаторы с очень высокой . В то же время влияние электрич. поля на атомы в Р. с. более значительно, чем, напр., для молекулярных вращат. уровней энергии, поэтому с помощью Р. с. впервые удалось продемонстрировать ряд эффектов квантовой , предсказанных в 50- 60-е гг.: подавление спонтанного радиац. перекода в резонаторе, нутацию Раби - взаимодействие с полек одного фотона в , кооперативные эффекты Дикке для неск. атомов (см. Сверхизлучение )и др. .
Астрофизические приложения ридберговских состояний. Первые наблюдения излучат, переходов между Р. с. от астрофиз. объектов (линии и) были выполнены в СССР . Радиолинии излучения, соответствующие переходам между Р. с., наблюдаются вплоть до п ~ 300 от галактич. зон Н II, планетарных туманностей, центральных областей нашей Галактики и нек-рых др. галактик. Обнаружены также линии Не, Не II, С II. Осн. механизмом образования Р. с. в астрофиз. объектах является фоторекомбинация, поэтому радиолинии излучения наз. также рекомбинац. радиолиниями. Радиолинии между Р. с. играют важную роль в диагностике астрофиз. объектов. Для п < 100 ширина таких линий обусловлена и позволяет судить о ионной темп-ре космич. плазмы. Для более высоких п в уширение вносят вклад столкновения с электронами, и т. о. по ширине радиолиний можно оценить также электронов. Отношение интенсивностей радиолиний и континуума даёт электронную темп-ру.
В межзвёздных облаках обнаружены радиолинии поглощения, принадлежащие иону С II и соответствующие переходам между Р. с. с п > 700.
Лит.: 1) R у d b е r g J. R., «Z. Phys. Chem.», 1890, Bd 5, S. 227; 2) Ридберговские состояния атомов и молекул, пер. с англ., М., 1985; 3) Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Ю к о в Е. А., Возбуждение атомов и , М., 1979; 4) Нагое he S., Raimond J. M., «Adv. in Atom. and Molec. Phys.», 1985, v. 20, p. 347; 5) Сороченко Р. Л., Рекомбинациошше радиолинии, в кн.: Физика космоса, 2 изд., М., 1986. И. Л. Бейгман ,
Ридберговские состояния молекул . Высоковозбуждённые электронные состояния М., так же как и атомные, подобны серии состояний атома водорода. Ридберговские орбитали молекул обозначаются главным п и орбитальным l квантовыми числами и типом группы симметрии молекулы (напр., nsa 1 , npb 1) . Энергия Р. с. (отсчитываемая от границы ионизации молекул) определяется ф-лой Ридберга (2). Для молекулы, состоящей из атомов первого периода, величина квантового дефекта для nd -орбиталей очень мала (0,1), для nр -орбиталей несколько выше (0,3-0,5), а для ns -орбиталей значительно больше (0,9-1,2). Стабильность Р. с. молекул зависит от стабильности осн. состояния или низколежащего возбуждённого состояния молекулярного иона, получающегося при удалении ридберговского электрона, т. к. ридберговская орбиталь, вообще говоря, является несвязывающей. Стабильность иона зависит от того, удаляется ли электрон со связывающей, разрыхляющей или несвязывающей молекулярной орбитали осн. состояния нейтральной молекулы. Напр., для Н 2 О из занятых молекулярных орбиталей в оси. состоянии самой верхней является несвязывающая молекулярная орбиталь 1b 1 . Поэтому осн. состояние иона Н 2 О + , получающегося при удалении электрона с этой орбитали, столь же стабильно, как и осн. состояние молекулы Н 2 О: практически все Р. с. молекулы Н 2 О, сходящиеся к осн. состоянию иона Н 2 O + , стабильны.
Если электрон переходит с низколежащей на более высокую молекулярную орбиталь с тем же п , то получающиеся состояния наз. субридберговским и. Т. к. п не является вполне определённым квантовым числом для низких молекулярных орбиталей, субридберговские состояния мало отличаются от Р. с. молекул, хотя субридберговские орбитали могут быть и связывающими.
Р. с. молекул отличаются от Р. с. атомов гл. обр. благодаря колебаниям, вращениям и возможности диссоциации ионного остова молекулы. Если ионный остов находится в возбуждённом колебат. состоянии, то ридберговский электрон при проникновении в ионный остов (что происходит довольно редко, с вероятностью) может испытать неупругое столкновение с остовом, приобрести достаточную кинетич. энергию за счёт колебат. энергии остова и привести к ионизации молекулы, наз. колебательной автоионизацией. Процесс автоионизации возможен также за счёт вращения. Высоковозбуждённые Р. с. молекул обычно лежат так близко, что энергетич. интервал между ними бывает такого же порядка или даже меньше, чем квант колебат. или вращат. энергии молекулы. Поэтому часто разделение электронного и ядерного движений, принятое в приближении Берна - Оппенгеймера, для молекул в Р. с. становится непригодным.
Лит.: Герцберг Г., Электронные спектры и строение многоатомных молекул, пер. с англ., М., 1969; Ридберговские состояния атомов и молекул, под ред. Р. Стеббингса, Ф. Данвинга, пер. с англ., М., 1985. М. Р. Алиев .
Михаил Лукин - профессор физики Гарвардского университета и Владан Вулетич - его коллега из Сербии, профессор физики Массачусетского технологического института, в уникальном эксперименте смогли заставить кванты электромагнитного излучения связываться и образовывать совершенно новое состояние материи, на подобии молекулы. Их работа описана в журнале Nature от 25 сентября 2013 года.
Вероятность существования такой материи до настоящего времени исследовалось только теоретически.
Подобная теория, по мнению авторов, противоречит с базисными представлениями о природе света.
Общепринятым является факт, что фотоны – это частицы, не имеющие массы, которые не взаимодействуют друг с другом: лазерные лучи, направленные навстречу друг-другу проходят насквозь один через другой.
Ученым удалось построить среду особенного типа. Они показали, что в такой среде кванты взаимодействуют так сильно, что ведут себя как если бы имели массу.
Лукин приводит сравнение со световыми мечами из космических фэнтези. При взаимодействии фотонов они отталкиваются друг от друга и отклоняются в сторону. Происходящие с молекулами явления напоминают Лукину сражение джедаев на световых мечах в фильме «Звездные войны».
Михаил Лукин и его коллеги (Офер Фистерберг и Алексей Горшков из Гарварда, Тибо Пейронель и Ци Лян из Массачусетса) создали специальные условия среды, для того что бы заставить фотоны, которые в норме не имеют массы, взаимодействовать. Для этого в вакуумную камеру были помещены атомы рубидия, далее атомное облачко охлаждается практически до абсолютного нуля с помощью лазера. И наконец, выстреливали в образовавшееся облако единичными сверхслабыми лазерными импульсами.
Основной принцип заключается в том, что, проходя через облако холодных атомов, энергия фотона приводит в состояние возбуждения встречные атомы, что ведет к значительному замедлению движения кванта. Фотон движется через облачко, а его энергия передаётся соседним атомам и в конце выходит из облака вместе с квантом, при этом он сохраняет свою идентичность.
Подобный эффект наблюдается при преломлении света в стакане с водой. Свет отдает долю своей энергии среде и находится внутри нее и как свет, и как вещество. Но по выходу из воды, он сохраняет свою идентичность. В эксперименте с фотонам мы наблюдаем этот же принцип: свет значительно замедляется и передает окружающей среде больше энергии, чем при рефракции.
В эксперименте ученые обнаружили, что при выстреле в облако двумя квантами они выходят как одна молекула. Такой эффект называется блокада Ридберга.
Когда атом возбужден, соседние атомы не могут быть возбуждены до такого же уровня. Это означает, что когда два кванта входят в облако первый возбуждает ближний атом, но, прежде чем второй возбудит соседний, первый фотон должен продвинуться вперед. Иначе говоря, вследствие того, что энергия фотонов переходит на соседние атомы, они толкают друг друга сквозь среду. Авторы делают вывод: атомное взаимодействие предопределяет квантовое взаимодействие, в результате, такой эффект заставляет фотоны ввести себя в среде подобно единой молекуле и покидать ее, как один фотон.
Каково же практическое применение этого эффекта?
На сегодняшний день фотоны – лидирующее средство для транспорта квантовой информации.
Для создания квантового компьютера требуется система способная сохранять и анализировать квантовую информацию, а для этого необходимо понимать принцип взаимодействия фотонов.
Ученым удалось доказать, что создание квантового переключателя и оператора квантовой логики возможно. Для этого необходимо повышать эффективность открытого процесса, но это лишь дело времени. На данный момент, это открытие является образцом принципиальной идеи фотонного взаимодействия.
Михаил Лукин приводит пример, что созданная система, в скором времени может быть использована для создания трехмерных кристаллоподобнх структур из фотонов.
