Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 12 – vyšlo 21. dubna, ročník 21 (2023) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

12/2023

Atomy pohlcené uvnitř atomů

Petr Kulhánek

Fyzika Rydbergových atomůRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). zažívá v posledních letech neuvěřitelný boom. Obří atomy excitované do vysokých energetických stavů mají téměř makroskopické rozměry. K jejich přípravě a udržení jsou zapotřebí extrémně nízké teploty, většinou dosahované laserovým ochlazovánímLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.. Rydbergovy atomy mohou být kruhové, kdy valenční elektron zaplňuje rovnoměrně celý orbital a Rydbergův atom je navenek dokonale symetrický a elektricky neutrální. Pokud je ale Rydbergův atom v superpozici dvou energetických stavů, existuje preferované místo výskytu elektronů a Rydbergův atom se stane otáčejícím se elektrickým dipólem. Takové atomy jsou extrémně citlivé na elektromagnetické pole a jsou užitečné jako mimořádně kvalitní senzory. Velmi zajímavé jsou i různé vázané stavy Rydbergových atomů. Už v 90, letech 20. století se podařilo připravit rovinné clustery Rydbergových atomů se zajímavými vlastnostmi. V roce 2016 na švýcarské polytechnice ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. připravili molekulu ze dvou Rydbergových atomů a ve stejné době v německém Institutu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. vytvořili pole Rydbergových atomů držených v periodické síti optických pastí. Takové Rydbergovy atomy mohou posloužit například jako qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. v nové generaci kvantových počítačůKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.. V roce 2018 se podařilo připravit první Rydbergův polaron – obří Rydbergův atom, v jehož nitru jsou obyčejné neexcitované atomy. Technologické možnosti využití polaronů jsou velmi slibné.

Kruhové Rydbergovy atomy zachycené v poli optických pastí představují interagující
spinové systémy s koherentnímiKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. vlastnostmi. Zdroj: Stuttgartská univerzita.

Rydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. Kvantové číslo, hlavní – značíme n, čísluje energii systému En. Hodnota energie závisí na průběhu potenciální energie. Energie je proto jinak kvantována ve vodíkovém atomu, jinak v harmonickém oscilátoru, kvantové jámě, atd. Kvantové číslo, vedlejší – značíme l, vyjadřuje maximální možnou projekci momentu hybnosti do nějaké osy v jednotkách redukované Planckovy konstanty. U atomu vodíku nabývá vedlejší kvantové číslo hodnot 0, 1, ... n–1. Časté je označování vedlejšího kvantového čísla písmeny s, p, d, f..., které odpovídají hodnotám 0, 1, 2, 3... Velikost momentu hybnosti (nikoli projekce) je dána vztahem L2 = l(l+1)ħ2. Kvantové číslo, magnetické – značíme m, čísluje projekci momentu hybnosti do libovolného směru. Ta může nabývat celistvých násobků Planckovy konstanty ħ, tedy Lk = mħ.

Cesta k Rydbergovým polaronům

Představa, že Rydbergovy atomyRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). jsou natolik obrovské, že by mohly pohltit celé „normální“ atomy je dost stará. První teoretické práce a je doplňující experimenty byly provedeny na Stuttgartské univerzitě už v roce 2013 a na Purduově univerzitěPurduova univerzita – americká veřejná univerzita, která byla založena v americké Indianě v roce 1869. Sídlem univerzity se stalo město West Lafayette. Je pojmenována podle filantropa a obchodníka Johna Purdue. Univerzita je zaměřena na inženýrství, zemědělství, letectví a informační technologie. V roce 1962 zde byla založena první fakulta informatiky na světě. Školu navštěvuje 40 000 studentů. v roce 2015. Detailnější teoretický základ vznikl v roce 2016 ve spolupráci Vídeňské univerzity a teoretického institutu ITAMPITAMP – Institute for Theoretical Atomic Moleculear and Optical Physics. Ústav je součástí Harvardova-Smithsonianova centra pro astrofyziku (CfA), které bylo založeno v roce 1973 v americké Cambridgi ve státě Massachusetts. Vzniklo sloučením Harvardovy univerzitní observatoře a Smithsonianovy observatoře., který je součástí Harvardova-Smithsonianova Centra pro astrofyziku. V roce 2018 byl takový nový stav hmoty připraven na Riceově univerzitě.

Elektronový orbital (modře) Rydbergova atomu zahrnuje mnoho atomů Boseho-Einsteinova kondenzátu (zeleně). Červeně je označeno jádro Rydbergova atomu, modře je vykreslen elektron v orbitalu. Zdroj: TUW.

Základem byly atomy stronciaStroncium – Strontium, čtvrtý prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Je pojmenoán podle vesnice Strontian ve Skotsku, kde byla poprvé nalezena ruda stroncianit obsahující tento kov. Stroncium poprvé elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808. ochlazené metodou laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. na teplotu několika nanokelvinů. Tyto atomy jsou bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu., což znamená, že za nízkých teplot mohou obsazovat kvantové stavy společně. Opakem jsou fermionyFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. – částice, které mohou daný stav obsadit maximálně jedním jedincem a platí pro ně Pauliho vylučovací principPauliho vylučovací princip – „Dva fermiony nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu“. Právě proto různé elektrony v atomárním obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. . Bosony za nízkých teplot vytvoří Boseho-Einsteinův kondenzátBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace.. Bosony se soustředí do základního energetického stavu, mají společnou vlnovou funkci a vykazují kolektivní chování. Do připraveného bosonového kondenzátu namířili vědci z Riceovy univerzity laserový impulz, který alespoň jeden ze stronciových atomů excitoval do vysokého energetického stavu. Tím se z něho stal Rydbergův atomRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). hrající roli nečistoty v připraveném Boseho-Einsteinově kondenzátu.

Rozměry prostoru, v němž se vyskytuje valenční elektron, jsou ve stovkách nanometrů, což je tisíckrát více, než jsou rozměry běžného atomu vodíku. Součástí Rydbergova atomu se může stát blízký „normální“ atom kondenzátu. Vznikne tak podivná molekula – spojení Rydbergova atomu s neutrálním atomem bosonového kondenzátu. Elektron slabě interaguje s neutrálním atomem, což vede ke snížení energie a relativně stabilní vazbě. Vzniklý potenciál molekuly má řadu minim, v nichž se zachytávají další a další atomy BECBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace.. Vznikají kolektivní fononovéFonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce. excitace (kvanta oscilací), které vazbě napomáhají. Výsledný celek nazýváme Rydbergův polaron. Můžeme ho buď považovat za molekulu obsahující Rydbergův atom a řadu normálních atomů, které jsou uvnitř Rydbergova atomu, nebo za kvazičásticiKvazičástice – z místa na místo se přesouvající rozruch neboli excitace budící dojem pohybu skutečné částice. Příkladem mohou být postupně padající kostky domina, překlápějící se elementární spiny, šířící se vibrační kvantum v krystalu nebo excitace hustotní vlny elektronů. s velkou efektivní hmotnostíEfektivní hmotnost – zdánlivá hmotnost částice v poli mnoha jiných částic. Při pohybu na částici působí síly od ostatních částic. Částice pak reaguje na vnější elektrická a magnetická pole tak, jako by měla hmotnost lišící se od její klidové hmotnosti. Taková hmotnost se nazývá efektivní hmotnost; může být různá v různých směrech, obecně se jedná o tenzorovou veličinu.. Na místě je přirovnání ke koni cválajícímu po prašné cestě. Zdáli už neuvidíme samotného koně, ale oblak prachu – kvazičástici, která má poněkud jiné vlastnosti než původní kůň. Při experimentech na Riceově univerzitě bylo spektroskopicky detekováno přibližně 170 atomů BEC vázaných uvnitř Rydbergova atomu. Vázaný stav se udržel několik mikrosekund. Nový stav látky má zajímavé vlastnosti, je snadno polarizovatelný a je velmi citlivý na elektromagnetické pole.

Pravděpodobnost výskytu elektronu v Rydbergově molekule složené z Rydbergova a normálního atomu. Taková molekula se posléze může transformovat do Ryd­ber­gova polaronu. Tvar vlnové funkce poněkud připomíná trilobita, proto se někdy hovo­ří o trilobitích molekulách. Zdroj: Wisconsinská univerzita.

Mechanizmus přípravy Rydbergova polaronu z Boseho-Einsteinova kondenzátu.
Zdroj: Riceova univerzita, Physical Rewiev.

Co dál?

Obří Rydbergovy atomy obsahující mnoho normálních atomů představují zcela novou formu látky, která může být především využita k detailnímu studiu mnohačásticových systémů, jejichž chování se jen složitě zjišťuje. Využití ale může být mnohem širší. Rydbergovy atomy budou sloužit jako qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. v budoucích generacích kvantových počítačůKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů. a každý výzkum jejich chování je nyní víc než žádoucí. Rydbergovy atomy jsou extrémně citlivé na elektromagnetická pole a jsou využívány nejen k nedestruktivní detekci jednotlivých fotonů, ale jak ukázal vojenský výzkum, mohou posloužit i jako extrémně citlivé širokopásmové detektory elektromagnetických vln sloužících ke komunikaci armády. V současnosti pokračují práce jak na Riceově univerzitě, kde používají stronciový bosonový kondenzát, tak na Stuttgartské univerzitě, kde používají rubidiové atomy. Naskýtá se samozřejmě i otázka, jak by Rydbergovy atomy reagovaly v přítomnosti ultrachladné fermionové látky. FermionyFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. obsazují postupně energetické stavy až po Fermiho hladinu, za nízkých teplot dominuje kvantové chování – hovoříme o tzv. fermionovém degenerovaném plynuDegenerovaný plyn – plyn s natolik extrémní hustotou, že dominují jeho kvantové vlastnosti. Například tlak už není dán stavovou rovnicí ideálního plynu, ale kvantovými vlastnostmi fermionů či bosonů, z nichž je plyn tvořen. V případě fermionů je tlak dominantně určen Pauliho vylučovvacím principem.. Excitací některého z fermionových atomů by měl vzniknout Rydbergův atom, který by do sebe pohltil okolní fermionové atomy. Takový výzkum v současnosti intenzivně probíhá na více pracovištích. Příprava a sledování extrémních stavů látky nám může pochopit základní zákonitosti v mnohačásticových systémech a snad i pomoci konečně připravit supravodivé materiály použitelné za pokojové teploty.

Rydbergovy atomy jsou opticky excitovány tak, aby posloužily jako detektor
elektromagnetických vln. Zdroj: U. S. Army.

Odkazy