Ученые открыли новое состояние материи с атомами внутри атомов

Экзотическое состояние материи, при котором могут появляться или создавать «гигантские атомы», наполненные более мелкими атомами, ученые называют «поляроном Ридберга». Слабые связи между этими атомами образуются при низких температурах. В результате, ученым удалось объединить два состояния материи. Первое — конденсат «Бозе-Эйнштейна», который образуется атомами при нулевой температуре. Второе — «ридгеровские атомы», в которых электроны вращаются вокруг ядра на большом расстоянии.

«Среднее расстояние между электроном и ядром атома может достигать нескольких сотен нанометров, то есть в тысячу раз больше радиуса атома водорода», — говорит профессор Йоахим Бургдорфер. Конденсат «Бозе-Эйнштейна» был создан атомами стронция. Используя лазер, ученые перенесли энергию на один из этих атомов, превратив его в ридберговский атом с огромным радиусом. В зависимости от радиуса ридберговского атома и плотности бозе-эйнштейновского конденсата, до 170 дополнительных атомов стронция могут быть заключены в огромную электронную орбиту.

«Атомы не несут никакого электрического заряда, поэтому они лишь оказывают минимальное воздействие на электрон», — говорит профессор Шухей Йошида. Электрон рассеивается лишь незначительно при соприкосновении с нейтральными атомами, не покидая своей орбиты. Квантовая физика медленных электронов допускает такой вид рассеяния, который не переносит электрон в другое состояние.

Как показывает компьютерное моделирование, этот сравнительно слабый вид взаимодействия уменьшает совокупную энергию системы, и поэтому образуется связь между ридберговским атомом и другими атомами внутри электронной орбиты. «Это очень необычная ситуация, — говорит Йошида. — Обычно мы имеем дело с заряженными ядрами, связывающими электроны вокруг них. Здесь у нас есть электрон, связывающий нейтральные атомы». Эта связь намного слабее, чем связь между атомами в кристалле. Поэтому это экзотическое состояние материи, называемое ридберговскими поляронами, может быть обнаружено только при очень низких температурах. Если бы частицы двигались быстрее, связь бы ломалась. «Для нас это новое слабосвязанное состояние материи — это захватывающая новая возможность исследования физики ультрахолодных атомов», — говорит Бургдорфер. — Таким образом, с очень высокой точностью можно исследовать свойства конденсата Бозе-Эйнштейна в очень малых масштабах».

Ученые из Венского политехнического университета смогли применить теорему повторения Пуанкаре к мультичастичной квантовой системе. Это удалось сделать, несмотря на то, что квантовые состояния живут по совсем другим правилам.