Ett speciellt bindningstillstånd mellan atomer har skapats i laboratoriet för första gången:Med en laserstråle kan atomer polariseras så att de är positivt laddade på ena sidan och negativt laddade på den andra. Detta gör att de attraherar varandra och skapar ett mycket speciellt bindningstillstånd - mycket svagare än bindningen mellan två atomer i en vanlig molekyl, men fortfarande mätbar. Attraktionen kommer från de polariserade atomerna själva, men det är laserstrålen som ger dem förmågan att göra det – på sätt och vis är det en "molekyl" av ljus och materia.

Teoretiskt har denna effekt förutspåtts under lång tid, men nu har forskare vid Wiens centrum för kvantvetenskap och teknologi (VCQ) vid TU Wien, i samarbete med universitetet i Innsbruck, lyckats mäta denna exotiska atombindning för första gången tid. Denna interaktion är användbar för att manipulera extremt kalla atomer, och effekten kan också spela en roll i bildandet av molekyler i rymden. Resultaten har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Physical Review X .

Positiv och negativ laddning

I en elektriskt neutral atom är en positivt laddad atomkärna omgiven av negativt laddade elektroner, som omger atomkärnan ungefär som ett moln. "Om du nu slår på ett externt elektriskt fält, skiftar denna laddningsfördelning lite", förklarar Prof. Philipp Haslinger, vars forskning vid Atominstitut vid TU Wien stöds av FWF START-programmet. "Den positiva laddningen förskjuts något åt ​​ena hållet, den negativa laddningen något åt ​​andra hållet, atomen har plötsligt en positiv och en negativ sida, den är polariserad."

Ljus är bara ett elektromagnetiskt fält som förändras väldigt snabbt, så det är också möjligt att skapa denna polarisationseffekt med laserljus. När flera atomer är bredvid varandra polariserar laserljuset dem alla på exakt samma sätt – positiva till vänster och negativa till höger, eller vice versa. I båda fallen vänder två angränsande atomer olika laddningar mot varandra, vilket leder till en attraktionskraft.

Experiment med atomfällan

"Det här är en mycket svag attraktionskraft, så du måste utföra experimentet mycket noggrant för att kunna mäta det", säger Mira Maiwöger från TU Wien, den första författaren till publikationen. "Om atomer har mycket energi och rör sig snabbt försvinner attraktionskraften omedelbart. Det är därför ett moln av ultrakalla atomer användes."

Atomerna fångas först och kyls i en magnetfälla på ett atomchip, en teknik som utvecklades vid Atominstitutet i gruppen av prof. Jörg Schmiedmayer. Sedan stängs fällan av och frigör atomerna i fritt fall. Atommolnet är "ultrakallt" på mindre än en miljondels Kelvin, men det har tillräckligt med energi för att expandera under hösten. Men om atomerna polariseras med en laserstråle under denna fas och på så sätt skapas en attraktionskraft mellan dem, bromsas denna expansion av atommolnet – och det är så attraktionskraften mäts.

Kvantlaboratorium och rymd

– Att polarisera enskilda atomer med laserstrålar är i princip inget nytt, säger Matthias Sonnleitner, som lade den teoretiska grunden för experimentet. "Det avgörande med vårt experiment är dock att vi för första gången har lyckats polarisera flera atomer tillsammans på ett kontrollerat sätt och skapa en mätbar attraktionskraft mellan dem."

Denna attraktionskraft är ett kompletterande verktyg för att kontrollera kalla atomer. Men det kan också vara viktigt inom astrofysik:"I rymdens storhet kan små krafter spela en betydande roll", säger Philipp Haslinger. "Här kunde vi för första gången visa att elektromagnetisk strålning kan generera en kraft mellan atomer, vilket kan bidra till att kasta nytt ljus över astrofysiska scenarier som ännu inte har förklarats." + Utforska vidare

Skräddarsydd magneto-optisk fälla tillåter kylning av indiumatomer till nära absolut noll