Впервые напрямую измерены ван-дер-ваальсовы силы между отдельными атомами

Использованная для этого экспериментальная техника может пригодиться для создания надёжного квантового затвора.

Французские физики, ведомые Тьерри Лаэ (Thierry Lahaye), представляющим Институт оптики, осуществили невиданное: они напрямую измерили ван-дер-ваальсовы силы между двумя атомами.

С силами Ван-дер-Ваальса мы с вами нередко сталкиваемся в повседневной жизни: скажем, благодаря им под потолком удерживаются пауки и прочие гекконы. Но обычно они очень слабы, и так продолжается до тех пор, пока расстояния не начинают уменьшаться до межатомных масштабов.

Чтобы измерить взаимодействие на столь ничтожных расстояниях, до сих пор применялись лишь косвенные методы, включая анализ результирующего воздействия этих сил на макроскопические объекты. Однако прямое их обнаружение никогда до того не удавалось.

Итак, герои нашей заметки поймали два ридберговских атома при помощи лазерного пучка, после чего измерили ван-дер-ваальсову силу как функцию дистанции между ними. При этом, как заявляется, влияние сторонних атомов была сведено на нет. Ну а ридберговские атомы использовались в силу того, что их размер может превышать размер того же самого атома, находящегося в основном состоянии, до миллиона раз — из-за возбуждения внешнего электрона.

Благодаря большому размеру атомы имели очень высокий мгновенный дипольный момент, что придавало им экстремально высокие значения ван-дер-ваальсовых сил. Их-то и удалось зарегистрировать даже теми относительно неточными средствами, которыми мы располагаем сегодня.

А теперь по сути. Два рубидиевых атома находились в ловушке, обеспечиваемой парой лазерных лучей, разделённые несколькими микронами расстояния. Обстреливая лазером сами атомы, физики могли либо оставить их в спокойном состоянии, либо довести один или оба атома сразу до ридберговского. Измеряя разницу в дистанциях между атомами в основном и ридберговском состоянии, учёные точно определили искомую силу взаимодействия.

По мере того как расстояние между атомами искусственно менялось, сила отвечала соотношению 1/R⁶, где R — расстояние между частицами. Именно таким соотношением, по теории, и регулируется сила подобного взаимодействия.

Более того, оба атома оказались в состоянии квантовой когерентности, и опробованные экспериментаторами методы контроля позволили полностью управлять их поведением без нарушения такой когерентности.

Подобный результат, возможно, даже более ценен, чем сам факт измерения, ибо он означает, что с использованием относительно небольшого количества ридберговских атомов вполне возможно создать надёжный квантовый затвор — нечто, что сейчас удаётся сделать лишь посредством крайне громоздких и неудобных в управлении ионных ловушек.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.