Гигантский атом поглощает квантовый газ
Команда исследователей в области экспериментальной и теоретической физики из Университета Штутгарта (Германия) изучила атом размеров в один микрометр. Этот атом вмещает тысячу нормальных атомов на своей электронной орбитали. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Характер взаимодействия электронов и материи определяет основные показатели материи, к примеру, электропроводимость. Электроны рассеиваются от атомов окружающей материи и вызывают волновые колебания, фононы, передавая, таким образом, энергию окружающему пространству. Движение электронов замедляется, что вызывает электрическое сопротивление. Вместе с тем, в некоторых материалах фононы неожиданно вызывают противоположный эффект - так называемую сверхпроводимость, которая связана со снижением показателей электрического сопротивления до нулевой отметки. Таким образом, изучение взаимодействия между электронами и материей необходимо как для ответа на фундаментальные вопросы, так и для решения технических задач.
Для системного изучения подобных процессов лучше всего подходит отдельный электрон. Физики из Университета Штутгарта впервые создали лабораторную модель, которая позволяет исследовать взаимодействие электрона со множеством атомов на его орбитали. Эти атомы происходят из ультрахолодного облака с температурой, приближающейся к абсолютному нулю, - так называемому конденсатом Бозе - Эйнштейна. 
Основная идея проста: вместо применения технически сложной электронной ловушки ученые использовали то обстоятельство, что в природе электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. В классической модели они движутся по эллиптической орбите вокруг ядра. Эти орбиты обычно довольно малы - не более одного нанометра. Для того чтобы обеспечить взаимодействие электрона и атомов, при помощи света лазера атом отделяют от облака, состоящего из 100 000 других атомов. Орбита вращения электрона затем расширяется до нескольких микрометров, что ведет к образованию атома Ридберга. На атомном уровне этот атом представляется огромным, больше большинства бактерий, которые состоят из нескольких миллиардов или триллионов атомов. Атом Ридберга содержит десятки тысяч атомов из холодного облака. Таким образом, создается ситуация, при которой электрон определенного размера взаимодействует с большим количеством атомов. Сила их взаимодействия такова, что все атомное облако в значительной мере подвержено воздействию одного электрона. В зависимости от своего квантового состояния электрон может вызывать появление фононов в атомном облаке, которое можно рассматривать как колебание всего атомного облака, ведущее к освобождению электронов из ловушки.
Анализ результатов эксперимента группы ученых, возглавляемых профессором Тильманом Пфау (Tilman Pfau), проводится в сотрудничестве с теоретической группой профессора Ганса Петера Бюхлера (Hans Peter Büchler). Однако это работа лишь создает основу для дальнейших увлекательных экспериментов. Согласно более ранним исследованиям, электрон оставляет заметный след в окружающем его атомном облаке, поэтому легко определить квантовое состояние отдельного электрона просто. Благодаря своей важности для различных областей науки, в том числе для квантовой оптики, результаты были опубликованы в известном и уважаемом журнале Nature.
По материалам Phys. Org.
Иван Штепа nauka21vek.ru