Иллюстрация от Or Katz et al. / Nature Physics. Российские исследователи применили методы квантовой логики для точного измерения вероятности неупругих столкновений между атомами рубидия в холодном состоянии и ионами стронция. В ходе нового эксперимента избыточная энергия, которая, выделяется при столкновении, передавалась дополнительному логическому иону. Его активное возбуждение регистрировалось с помощью оптических методов. Полученные данные позволят теоретикам уточнить модели взаимодействия атомов на межатомном уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics. Неупругие столкновения всегда представляют повышенный интерес для физиков по сравнению с упругими, так как они дают возможность изучить внутреннюю структуру взаимодействующих частиц. В случае атомов изменение их внутреннего состояния, обусловленное законами сохранения энергии, неизбежно скажется на кинетической энергии.
При множественных столкновениях в крупных атомных ансамблях неупругие процессы влияют на макроскопические величины, подлежащие измерению, такие как температура или давление.
Развитие методов охлаждения и контроля холодных атомов открыло дорогу к изучению столкновений индивидуальных атомов и ионов. Мы уже рассказывали, как физики обнаружили в таких системах резонанс Фешбаха и неравновесное термодинамическое поведение, а также смогли с высокой точностью отслеживать траекторию и скорость иона в процессе его движения сквозь атомный конденсат. Прогресс в этом направлении ограничивается тем фактом, что не все ионы можно нужным образом подготавливать и детектировать.
Техники, основанные на квантовой логике и симпатическом охлаждении, выглядят перспективным решением этой проблемы. Симпатическое охлаждение (или охлаждение смешиванием) позволяет подготовить ионы в нужном холодном состоянии, чего нельзя достичь лазерными методами. Под квантовой логикой здесь понимается использование дополнительного (логического) иона, который связывается с ионом, участвующим в некотором физико-химическом процессе, и выступает посредником при измерении его свойств. Несмотря на то, что эти методы уже активно используются физиками во множестве задач, никто пока не применял их к исследованию неупругих столкновений ультрахолодных атомов.
Это удалось сделать израильским физикам под руководством Ора Каца (Or Katz) из Института имени Вейцмана. С помощью квантовой логики они измерили выделение сверхтонкой энергии при неупругом столкновении возбужденного ультрахолодного атома рубидия с изотопами однократно ионизированного стронция. Избыток энергии нагрел логический ион, в роли которого выступал дополнительный ион стронция, что оптически зафиксировали ученые.
Авторы сконцентрировались в своем исследовании на экзотермическом столкновении. Такой процесс возможен, если атомы или ион, который будет участвовать в столкновении (его еще называют «химическим ионом»), находятся в возбужденном состоянии. Энергия этих состояний в результате удара распределяется в кинетические энергии атома и иона. Движение химического иона, в свою очередь, симпатически передается логическому иону, связанному с ним в ловушке (такую связь называют «двухионным кристаллом»). Проводя термометрию состояния логического иона можно сделать вывод о количестве этой энергии.
Схема применения техники квантовой логики к изучению экзотермического соударения атома с ионом. Пурпурным цветом обозначен логический ион, серым – химический ион, синим – атом. (a) Подготовка частиц, (b) столкновение и разлет с увеличенной кинетической энергией, (c) симпатическая передача энергии логическому иону, (d) измерение сигнала флуоресценции, чувствительной к состоянию. Or Katz et al. / Nature Physics
Для реализации этой идеи физики загружали облако из миллиона атомов 87Rb, возбужденных на различные сверхтонкие подуровни, в нерезонансную оптическую решетку, охлаждая их с помощью лазера. В близости от облака они захватывали в ловушку Пауля двухионный кристалл, который состоял из логического иона 88Sr+ и химического иона, в роли которого выступали различные изотопы стронция: 84Sr+, 86Sr+, 87Sr+ и 88Sr+. Авторы проводили облако через ионную ловушку, измеряя сигнал флуоресценции, который возникал только тогда, когда логический ион находился в возбужденном состоянии движения.
Ученые исследовали зависимость вероятности этого сигнала от подуровня, на котором находились атомы рубидия, от массового числа изотопов, а также от соотношения спинов атомов и ионов. Они выяснили, что столкновения, при которых спины атомов и ионов антипараллельны, более вероятны. Физики также обнаружили, что при антипараллельной ориентации спина логического иона и неполяризованном химическом ионе вероятность сигнала убывает с ростом массового числа четных изотопов, в то время как единственный нечетный изотоп продемонстрировал почти в два раза меньшую вероятность неупругого соударения. Полученные данные позволят теоретикам откалибровать соответствующие феноменологические потенциалы неупругого межатомного взаимодействия.
В рамках ультрахолодной химии ионы сталкивают не только с другими атомами, но и молекулами. Недавно мы рассказывали, как таким способом можно получать рекордно холодные ионизированные молекулы.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
