معرفی حالت عجیب پولارون‌های ریدبرگ : اتمی پر از اتم‌های دیگر!

آیا تا به حال فکر کرده‌اید داخل اتم، چه چیزی میان هسته و الکترون وجود دارد؟ معمولا چیزی وجود ندارد، ولی به راستی چرا ذرات دیگری نمی‌توانند آنجا باشند؟ اگر الکترون در فاصله‌ی بسیار دور از هسته دور آن بچرخد، در فاصله‌ی میان آن‌ها، فضای زیادی برای سایر اتم‌ها وجود دارد. در اینصورت، ممکن است اتم غول‌آسایی به وجود آید که خود از اتم‌های معمولی ساخته شده است. تمام این اتم‌ها پیوند ضعیفی ایجاد می‌کنند که باعث به وجود آمدن حالت جدید و عجیبی از ماده در دمای پایین، به نام پولارون‌‌های ریدبرگ می‌شود. اکنون دانشمندان، این حالت ماده را در مقاله‌ای که در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده، معرفی کرده‌اند. کار نظری این پروژه در دانشگاه فنی وین و هاروارد و قسمت تجربی آن در دانشگاه رایس تگزاس انجام شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

فیزیک مافوق سرد

دو حوزه‌ی بسیار خاصِ فیزیک اتمی که هر دو تنها در شرایط حدی مطالعه می‌شوند، در این پروژه‌ی تحقیقاتی ترکیب شده‌اند: گاز بوز-اینشتین و اتم‌های ریدبرگ. گاز بوز-اینشتین، حالتی از ماده است که توسط اتم‌های مافوق سرد و نزدیک به صفر (حد دمایی) به وجود می‌آید. اتم‌های ریدبرگ، اتم‌هایی هستند که در آنها یک الکترون منفرد، به یک حالت بسیار برانگیخته منتقل شده و در فاصله‌ی بسیار زیاد، به دور هسته (حد فاصله) می‌چرخد. دانشمندان این پژوهش که به مدت چند سال، اتم‌های ریدبرگ را مطالعه کرده‌اند، می‌گویند:

فاصله‌ی میانگین بین الکترون و هسته‌ می‌تواند به بزرگی چند صد نانومتر باشد که بیش از هزار برابر شعاع یک اتم هیدروژن است

ایده‌ی این پروژه‌ی تحقیقاتی، تحت تاثیر همکاری بلند مدت دانشگاه فنی وین با دانشگاه رایس توسعه یافته است. ابتدا، یک گاز بوز-اینشتین با اتم‌های استرانسیم ایجاد می‌شود. با استفاده از یک لیزر، انرژی به یکی از این اتم‌ها منتقل شده و آن اتم را به یک اتم ریدبرگ با شعاع بزرگ مبدل می‌کند. در اینصورت، شعاع مدار چرخشی به دور هسته که الکترون می‌تواند در آن قرار گیرد، بسیار بزرگ‌تر از فاصله‌ی دو اتم در گاز است؛ بنابراین الکترون فقط به دور هسته‌ی اتم خودش نمی‌چرخد، بلکه داخل شعاع مدار چرخشی یک الکترون، چندین اتم دیگر نیز وجود دارد. بسته به اینکه شعاع اتم ریدبرگ و چگالی گاز بوز-اینشتین چقدر باشد، تقریبا ۱۷۰ اتم استرانسیم دیگر نیز ممکن است داخل این شعاع اتمی بزرگ قرار گیرند!

اتم‌های خنثی خللی در چرخش الکترون‌ها بوجود نمی‌آورند. در واقع این اتم‌ها تاثیر اندکی بر مسیر الکترون‌های ریدبرگ دارند. محققان می‌گویند:

اتم‌ها بار الکتریکی ندارند و بنابراین تنها یک نیروی کوچک به الکترون‌ها وارد می‌کنند

اما به هر حال، الکترون‌ها هنوز به میزان بسیار کم، حضور اتم‌های خنثی را در طول مسیر خود احساس می‌کنند. الکترون داخل اتم خنثی منحرف می‌شود، اما این انحراف بسیار ناچیز است و این اتفاق بدون اینکه الکترون مدار چرخش خود را ترک کند، رخ می‌دهد. فیزیک کوانتومی الکترون‌های آهسته، وقوع این پراکندگی (که در آن، الکترون به حالت متفاوتی منتقل نمی‌شود) را ممکن می‌کند. همانطور که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد، این برهمکنش‌های نسبتا ضعیف، انرژی کل سیستم را کاهش داده و در نتیجه، پیوندی بین اتم ریدبرگ و سایر اتم‌های داخل مدار چرخشی الکترون ایجاد می‌شود. محققان می‌گویند:

این یک وضعیت غیر عادی است. به طور عادی، ما با هسته‌های بارداری مواجهیم که الکترون‌ها را به خودشان مقید می‌کنند، اما اینجا الکترونی داریم که مقید به یک هسته‌ی خنثی شده است.

این پیوند، بسیار ضعیف‌تر از پیوند میان اتم‌های کریستال است، بنابراین این حالت عجیب ماده که به پولارون‌های ریدبرگ معروف است، می‌تواند در دماهای بسیار پایین ایجاد شود. اگر ذرات. سریع‌تر حرکت می‌کردند، این پیوند شکسته می‌شد. دانشمندان می‌گویند:

این حالت جدید ماده با پیوند ضعیف اتمی، زمینه‌ی تحقیقاتی جدیدی را در زمینه‌ی فیزیک اتم‌های مافوق سرد بوجود می‌آورد، به طوری که می‌توان ویژگی‌های گاز بوز-اینشتین را در مقیاس‌های بسیار کوچک و با دقت بسیار زیاد بررسی کرد