物理學家創造出奇怪的「里德堡極化子」分子

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】美國和奧地利物理學家利用激光將超冷鍶原子轉化為複雜的結構，這與之前在自然界看到的結構不同。萊斯大學物理學家湯姆基利安說：我很驚訝我們發現了一種原子聚集的新方式。它表明物理學和化學定律有多豐富。 基利安是「物理評論快報」（PRL）的一篇新論文的首席科學家，總結了該小組的實驗結果。基利安與來自賴斯量子材料中心的實驗物理學家和來自哈佛大學和維也納科技大學的理論物理學家合作開展為期兩年的項目，用鍶原子製造「里德堡極化子」，這些鍶原子至少比深空溫度低100萬倍。

賴斯大學原子物理學家喬Whalen致力於超冷鍶氣體激光冷卻系統。圖片版權：Jeff Fitlow /萊斯大學

Killian說，該小組的研究結果在PRL論文中概述，並在本周出現在物理評論A（PRA）中的理論研究中，揭示了有關物質基本性質的新內容。我們在化學課上學到的基本法則告訴我們原子如何結合在一起形成分子，對這些原理的深刻理解是化學家和工程師能夠在我們日常生活中使用的材料。但是這些規律也很嚴格，只有某些原子組合才能在分子中形成穩定的鍵，我們的工作探索了一種新型的分子，這種分子沒有被任何傳統的原子結合在一起的規則所描述。新的分子只有在非常低的溫度下穩定 - 大約是絕對零度以上的百萬分之一。

在如此低的溫度下，組成原子的時間足夠長，以便在新的複雜結構中 「粘合在一起」 。一個驚人的事情是，可以繼續附加任意數量的原子到這些分子。這就像附加樂高塊，這是傳統類型的分子無法做到的。這一發現將對理論化學家，凝聚態物理學家，原子物理學家和物理學家感興趣，他們正在研究里德堡原子在量子計算機中的潛在用途。大自然利用迷人的技巧工具箱將原子結合在一起製造分子和材料。當我們發現並理解這些技巧時，我們滿足於對生活世界的固有好奇心，並且通常會導致像新治療藥物或光捕獲太陽能電池這樣的實際進步。

現在分辨實際應用還為時過早將來自我們的工作，但像這樣的基礎研究就是找到未來的重大突破所需要的。團隊的努力主要集中在製造，測量和預測特定物質狀態的行為，稱為里德堡極化子，里德伯原子和極化子是兩種不同現象的組合。在里德堡原子中，一個或多個電子以精確的能量激發，以便它們遠離原子的原子核。里德伯原子可以用一個多世紀前由瑞典物理學家約翰內斯里德伯格寫下的簡單規則來描述。他們已經在實驗室中研究了數十年，並被認為存在於深空冷空氣中。PRL研究中的里德堡原子高達1微米寬，比正常鍶原子大1000倍。當單個粒子與其環境強烈相互作用並引起附近的電子，離子或原子自身重新排列並形成粒子攜帶的一種塗層時，會產生極化子。

極化子本身是已知為準粒子-併入原始粒子及其環境的特性的集體統一物體。里德堡極化子是一類新的極化子，當它穿過緻密的超冷雲時，高能量遠軌道電子在其軌道內聚集數百個原子。在水稻實驗中，研究人員開始創建數十萬鍶原子的過冷雲。通過協調激光脈衝的時間和電場的變化，研究人員能夠逐一創建和計數里德堡極化子，最終形成數以百萬計的研究。雖然里德伯格極化子之前是用銣製造的，但是鍶的使用使物理學家能夠更清楚地解析出塗層里德堡原子的能量，這種方式揭示了以前看不見的普遍特性。

物理學和天文學教授基利安說：我給了理論家很多的信任，他們開發了強大的技術來計算數百個相互作用粒子的結構，以便解釋我們的結果並識別里德堡極化子的特徵。從實驗的角度來看，製造和測量這些極化子是具有挑戰性的，在與其他粒子碰撞之前，每個人只能活幾微秒，我們不得不用非常敏感的技術來計算這些脆弱和短暫的物體。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論A

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：萊斯大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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