Molecula făcută din lumină și materie a putut fi, în sfârșit, măsurată

Fizicienii tocmai au surprins lumina acționând ca un liant între atomi, în molecula făcută din lumină și materie.

„Am reușit pentru prima dată să polarizăm mai mulți atomi împreună într-un mod controlat, creând o forță atractivă măsurabilă între ei”, spune fizicianul Matthias Sonnleitner, de la Universitatea din Innsbruck, Austria, într-un comunicat de presă.

• Neutrinii ar putea fi cheia pentru studierea nucleului Soarelui
• Oamenii de știință au găsit 128 de sateliți noi în jurul lui Saturn

Atomii se conectează pentru a forma molecule într-o varietate de moduri, toate implicând un schimb de sarcini ce ar putea fi asemănat cu un „superglue”.

Unii își împărtășesc electronii încărcați negativ, formând legături relativ puternice, precum cei doi atomi de oxigen uniți pe care îi respirăm constant și până la hidrocarburile complexe care plutesc în spațiu. Unii atomi se atrag datorită diferențelor din sarcina lor totală, explică Science Alert.

Molecula făcută din lumină și materie

Câmpurile electromagnetice pot modifica aranjamentele sarcinilor în jurul atomului. Deoarece lumina este un câmp electromagnetic în schimbare rapidă, o ploaie de fotoni direcționați corespunzător poate împinge electronii în poziții care, în teorie, i-ar putea face să se lege.

„Dacă porniți acum un câmp electric extern, această distribuție a sarcinii se schimbă puțin”, explică fizicianul Philipp Haslinger, de la Universitatea Tehnică din Viena (TU Wien).

„Încărcătura pozitivă este deplasată ușor într-o direcție, sarcina negativă ușor în cealaltă direcție; atomul are brusc o latură pozitivă și una negativă, este polarizat”, spune cercetătorul.

Atomii „lipicioși”

Haslinger, Mira Maiwöger și colegii lor au folosit atomi de rubidiu ultrareci pentru a demonstra că lumina poate polariza atomii în același mod, ceea ce face ca atomii altfel neutri să devină un pic „lipicioși”. Astfel au realizat molecula făcută din lumină și materie, care până acum exista doar în teorie.

„Aceasta este o forță atractivă foarte slabă, așa că trebuie să conduci experimentul cu mare atenție pentru a o putea măsura”, spune Maiwöger.

„Dacă atomii au multă energie și se mișcă rapid, forța atractivă dispare imediat. Acesta este motivul pentru care a fost folosit un nor de atomi ultrareci”, a continuat Maiwöger.

Un experiment făcut la temperaturi de zero absolut

Echipa a prins un nor de aproximativ 5.000 de atomi sub un cip acoperit cu aur, într-un singur plan, folosind un câmp magnetic.

Apoi au răcit atomii până la temperaturi apropiate de zero absolut (−273 °C), formând un cvasicondens, astfel încât particulele de rubidiu încep să acționeze colectiv și să împărtășească proprietăți ca și cum ar fi în a cincea stare a materiei, deși nu chiar în aceeași măsură.

Loviți de un laser, atomii au experimentat o varietate de forțe. De exemplu, presiunea radiației de la fotonii care intră îi poate împinge de-a lungul fasciculului de lumină. Între timp, răspunsurile electronilor pot atrage atomul înapoi spre partea cea mai intensă a fasciculului.

Pentru a detecta atracția subtilă despre care se crede că apare între atomi în acest torent de electromagnetism, cercetătorii a trebuit să facă niște calcule atente.

Cum a fost măsurată molecula făcută din lumină și materie?

Când au oprit câmpul magnetic, atomii au căzut liber timp de aproximativ 44 de milisecunde înainte de a ajunge în câmpul de lumină laser, unde au fost fotografiați folosind microscopia cu fluorescență cu foi de lumină.

În timpul căderii, norul s-a extins în mod natural, astfel încât cercetătorii au reușit să efectueze măsurători la diferite densități.

La densități mari, Maiwöger și colegii au descoperit că până la 18% dintre atomi lipseau din imaginile de observație. Cercetătorii cred că aceste absențe au fost cauzate de coliziuni asistate de lumină care au scos atomii de rubidiu din nor.

Acest lucru a demonstrat o parte a ceea ce se întâmpla: nu doar lumina care intra influența atomii, ci și împrăștierea luminii de pe ceilalți atomi. Pe măsură ce lumina a atins atomii, le-a dat o polaritate.

Tipuri de lumină

În funcție de tipul de lumină folosit, atomii erau fie atrași, fie respinși de o intensitate mai mare a luminii. Așa că au fost fie atrași către regiunea cu mai puțină lumină, fie în cealaltă; dar în ambele cazuri au ajuns să se acumuleze.

„O diferență esențială între forțele de radiație obișnuite și interacțiunea declanșată de lumină este că aceasta din urmă este o interacțiune eficientă de la particulă la particulă, mediată de lumina împrăștiată”, au scris cercetătorii în lucrare.

„Atomii nu sunt prinși într-o poziție fixă (de exemplu, în punctul unui fascicul laser), ci sunt atrași către regiuni cu densitate maximă a particulelor”, spun aceștia.

O descoperire importantă pentru viitorul fizicii

În timp ce forța care ține la un loc molecula făcută din lumină și materie este mult mai slabă decât forțele moleculare cu care suntem mai familiarizați, la scară mare poate fi importantă. Acest lucru poate schimba modelele de emisie și liniile de rezonanță, caracteristici pe care astronomii le folosesc pentru a înțelege obiectele cerești.

De asemenea, ar putea ajuta la explicarea modului în care se formează moleculele în spațiu.

„În nemărginirea spațiului, forțele mici pot avea un rol semnificativ”, spune Haslinger.

„Aici am putut arăta pentru prima dată că radiația electromagnetică poate genera o forță între atomi, ceea ce ar putea ajuta la înțelegerea scenariilor astrofizice care nu au fost încă explicate”, a încheiat Haslinger.

Această cercetare a fost publicată în Physical Review X.

Vă recomandăm să citiți și:

Cât cântărește sufletul? Au reușit cercetătorii să dezlege misterul?

A fost creată celula solară aproape invizibilă. În viitor, ne-ar putea acoperi hainele

Cercetătorii pot controla acum creierul musculițelor de la distanță

Tehnologia din astronomie, folosită împotriva cancerului de piele