Физики сымитировали троянские астероиды внутри атома

Учёные построили точную модель части Солнечной системы внутри одного атома калия, раздутого до долей миллиметра. Такой трюк исследователи выполнили, чтобы показать интересные пересечения между квантовой и классической физикой.

Один из авторов эксперимента аспирант Шучжэнь Е (Shuzhen Ye) использует ультрафиолетовый лазер для создания необычного атома и изучения орбитальной механики электронов в нём (фото Jeff Fitlow/Rice University).

Представление о том, что электроны вращаются вокруг ядра атома по чётким орбитам, словно шарики-планеты вокруг звезды, – устарело. Квантовая природа субатомных частиц и их дуализм (электрон – и частица, и волна одновременно) приводят к тому, что электроны будто размазываются вокруг ядра и физикам остаётся рассуждать только о вероятности их нахождения в том или ином месте, описывая частицы волновой функцией.

Однако, как оказалось, при определённых условиях электрон можно заставить бегать вокруг ядра почти что как планету, то есть – локализовать его, не нарушая связанности частей системы.

Экспериментаторы из университетов Райса, Венского технологического и американской национальной лаборатории в Окридже создали атом Ридберга, в котором электрон находился в высоковозбуждённом состоянии (на высоком энергетическом уровне).

Далее при помощи импульсов электрического поля учёные заставили волновую функцию электрона коллапсировать. Частица обратилась в локализованный волновой пакет, внешне напоминающий запятую (это были границы, где электрон может быть найден). В таком состоянии электрон продолжил обращение вокруг ядра, но на очень короткое время.

Физики же хотели заставить его бегать по орбите бесконечно, и так, чтобы не нарушалась целостность атома. Учёные приложили к атому вращающееся радиочастотное электрическое поле, передаёт PhysOrg.com. Поле захватило локализованный электрон (ту самую «запятую») и заставило синхронно обращаться вокруг ядра. Другой электрический импульс позволил сделать мгновенную «фотографию» такой экзотической системы.

«Троянский» волновой пакет, обращающийся вокруг ядра атома, словно группа астероидов-троянцев (кадр Rice University).