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科学家在新型巨原子里再塞进了170个小原子

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尽管原子已经很小,但其内部仍有一定的空间。 不过现在,奥地利和美国的科学家们已经在其中塞入了更多的东西,创建了一种塞满了其它原子、被叫做“巨型原子”的新物质状态。 通常情况下,原子核与环绕它的电子间有少量的空隙。根据原子种类的不同,其轨道约有几百纳米宽。“里德伯原子”(Rydberg Atom)的绰号叫“巨原子”,其半径是氢原子的一千倍。于是研究人员们猜想,可否在其中塞入其它小原子呢?

(蓝色的)电子绕着(红色的)原子核,其轨道上还有许多(绿色的)玻色-爱因斯坦凝聚体与许多其它原子。

为了这项试验,维也纳技术大学、莱斯大学、哈佛大学的研究人员们,决定从玻色-爱因斯坦凝聚体着手。

这种奇特的物质形态,是原子在冷却到略微高于绝对零度以上时形成的。在这种状态下,原子的速度会慢下来、开始聚集到一起、且表现出不同寻常的行为。

然后,科学家们实现了一种新奇的物质形态,比如“超固体”( supersolids )、 excitonium 、以及 负质量流体 。

● 本例中,研究人员从一片锶原子云开始,先将它们转化到玻色-爱因斯坦凝聚态;

● 再用一束激光来激发原子,以将原子提升到高激发态;

● 接着,激发电子开始以较平常更远的距离绕原子核转,从而成为了一个里德伯原子。

(研究配图 - 1:在一个均匀密度的BEC中,Rydberg极子的激发原理)

电子的轨道变得如此之大,因而其他锶(Sr)原子可以轻易地放到里面:

据悉,团队观察到了某个里德伯原子里竟然塞下了 170 个原子。当然,这个数字会根据里德伯原子的半径和-爱因斯坦凝聚体的密度而不同。

原子间会相互作用,但力度很弱。至于里德伯原子的电子,尽管其路径会被中性原子略为分散,但因为电子的速度很慢,所以它不会迁移至另一种状态。

(研究配图 - 2:里德伯状态的激发光谱)

团队在计算机模拟后发现,这种弱相互作用会降低系统的总能量,在巨大的原子和内部的小原子之间形成一个“键”。 研究合著者 Shuhei Yoshida 表示:

原子不带电荷,因此仅对电子施加了最小的力,这是一种极不寻常的状况。

通常情况下,我们需要处理带电的原子核、绑定它周围的电子。

而在这里,我们有一个结合了中性原子的电子。

(研究配图 - 3:激发态下的里德伯多体)

有鉴于此, 研究团队给这种全新的“弱约束物质形态”命名为“里德伯极化体”(Rydberg Polarons) ,希望借此在非常小的范围内、非常精确地探测到玻色-爱因斯坦凝聚体的特性。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理学评论快报》( Physical Review Letters )上,原标题为《Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas》。


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