Vad finns i en atom mellan kärnan och elektronen? Vanligtvis finns det ingenting, men varför kan det inte finnas andra partiklar också? Om elektronen kretsar runt kärnan på ett stort avstånd, det finns gott om plats däremellan för andra atomer. En "jätteatom" kan skapas, fylld med vanliga atomer. Alla dessa atomer bildar en svag bindning, skapa en ny, exotiskt tillstånd av materia vid kalla temperaturer, kallas Rydbergpolaroner.

Ett team av forskare har nu presenterat detta tillstånd i tidningen Fysiska granskningsbrev . Det teoretiska arbetet gjordes vid TU Wien (Wien) och Harvard University, experimentet utfördes vid Rice University i Houston (Texas).

Två speciella områden inom atomfysik, som bara kan studeras under extrema förhållanden, har kombinerats i detta forskningsprojekt:Bose-Einstein-kondensat och Rydberg-atomer. Ett Bose-Einstein-kondensat är ett materiellt tillstånd som skapas av atomer vid ultrakalla temperaturer, nära absolut noll. Rydbergatomer är de där en enda elektron lyfts till ett mycket upphetsat tillstånd och kretsar runt kärnan på ett mycket stort avstånd.

"Medelavståndet mellan elektronen och dess kärna kan vara så stort som flera hundra nanometer - det är mer än tusen gånger radien för en väteatom, "säger professor Joachim Burgdörfer. Tillsammans med professor Shuhei Yoshida (båda TU Wien, Wien), han har studerat egenskaperna hos sådana Rydberg -atomer i åratal.

Först, ett Bose-Einstein-kondensat skapades med strontiumatomer. Med hjälp av en laser, energi överfördes till en av dessa atomer, förvandla den till en Rydberg -atom med en enorm atomradie. Radien för den bana där elektronen rör sig runt kärnan är mycket större än det typiska avståndet mellan två atomer i kondensatet. Därför, elektronen kretsar kring sin egen atomkärna, medan många andra atomer ligger inne i dess bana, för. Beroende på radien för Rydberg-atomen och densiteten hos Bose-Einstein-kondensatet, så många som 170 ytterligare strontiumatomer kan omges av den enorma elektroniska bana.

Dessa atomer har ett minimalt inflytande på Rydberg -elektronens väg. "Atomerna bär ingen elektrisk laddning, därför, de utövar bara en minimal kraft på elektronen, "säger Shuhei Yoshida. Men i mycket liten grad, elektronen påverkas fortfarande av närvaron av de neutrala atomerna längs dess väg. Den är spridd vid de neutrala atomerna, men bara väldigt lite, utan att någonsin lämna sin bana. Kvantfysiken hos långsamma elektroner tillåter denna typ av spridning, som inte överför elektronen till ett annat tillstånd.

Som datorsimuleringar visar, denna relativt svaga interaktion minskar systemets totala energi, och en bindning mellan Rydberg -atomen och de andra atomerna inuti den elektroniska omloppsbanan skapas. "Det är en mycket ovanlig situation, "säger Shuhei Yoshida." Normalt sett vi har att göra med laddade kärnor som binder elektroner runt dem. Här, vi har en elektronbindande neutrala atomer. "

Denna bindning är mycket svagare än bindningen mellan atomer i en kristall. Därför, detta exotiska tillstånd av materia, kallas Rydbergpolaroner, kan endast detekteras vid mycket låga temperaturer. Om partiklarna rörde sig snabbare, bandet skulle bryta. "För oss, den här nya, svagt bunden materia är en ny spännande möjlighet att undersöka fysiken hos ultrakylda atomer, "säger Joachim Burgdörfer." På så sätt kan man undersöka egenskaperna hos ett Bose-Einstein-kondensat på mycket små skalor med mycket hög precision. "