Физика

Физики «попинали» квантовое гало

Физики «попинали» квантовое гало

M. Kunitski et al./ Nature Physics, 2020

Физики из Германии и США смогли визуализировать процессы, происходящие в димере гелия после облучения его коротким лазерным импульсом. Им удалось детально измерить то, как ведут себя амплитуда и фаза волновых функций возмущенных атомов. Работа опубликована в Nature Physics, а с ее препринтом можно ознакомиться на arXiv.org.

Квантовая механика лежит в основе строения и свойств всех химических связей в природе. Она же позволяет предсказать, как эти связи изменяются под различными внешними воздействиями, например электромагнитными полями. При этом, чем сложнее пространственно-временная структура внешних полей, тем сложнее уравнения, однако тем интереснее получаются отдельные их решения.

В этой связи ученые с интересом смотрят на молекулы, собранные из атомов гелия. Квантовая механика предсказывает возможность управления колебательными состояниями димера гелия, а также преобразования его ван-дер-ваальсовой связи в ковалентную. Есть даже теория, описывающая бесконечную систему энергетических уровней в ефимовских 4He3He2-тримерах.

Экспериментальное наблюдение подобных эффектов сталкивается с большим количеством трудностей, одна из которых — хрупкость гелиевых молекул. Однако группа физиков под руководством профессора Райнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) из Франкфуртского университета смогла их преодолеть и исследовала процессы, которые происходят в димере гелия при облучении его коротким лазерным импульсом.

Димер гелия интересен тем, что энергия связи его единственного колебательного уровня составляет всего 150 наноэлектронвольт, и чтобы эта связь не разрывалась, температура среды должна опуститься до милликельвинов. Такая малая энергия связи согласно законам квантовой механики приводит к большой ее длине. Так, если длина связи в обычных молекулах составляет 1-2 ангстрема, то в случае димера гелия ее среднее значение равно 52 ангстремам.

Важно отметить, что зачастую двухатомные молекулы представляют в качестве двух шариков-ядер, находящихся на некотором расстоянии. Для димера гелия такое классическое представление максимально ошибочно. Во-первых, поскольку взаимодействие атомов гелия изотропно, в отсутствие внешних полей ось димера может быть ориентирована равновероятно в любом направлении. Во-вторых, из-за очень маленьких энергий неопределенность положения одного атома относительно другого становится очень большой. Иными словами, волновая функция димера гелия, которая определяет вероятность обнаружить атомы относительно друг друга в какой либо точке пространства, отлична от нуля в очень толстом сферическом слое вокруг его центра масс. Такая система получила название «квантовое гало».

График зависимости потенциальной энергии He-He-взаимодействия от расстояния между атомами. Зеленая линия – невозмущенный потенциал, синяя и красная – потенциал, возмущенный лазерным полем вдоль и поперек направления поляризации, соответственно. Черная линия – ненормированный квадрат волновой функции для невозмущенного случая (квантовое гало).

M. Kunitski et al./ Nature Physics, 2020

Авторы работы решили посмотреть, как на эту волновую функцию будут влиять внешние электромагнитные поля. Для этого они облучали охлажденный пучок молекул с помощью линейно-поляризованного лазерного импульса длительностью 310 фемтосекунд с длинной волны 780 нанометров. Средняя напряженность электрического поля при этом составляла 3,13×108 вольт на сантиметр. Такой мощный импульс (ученые назвали его «пинком») на короткое время привнес анизотропию во взаимодействие атомов друг с другом, что запустило волнообразные изменения в волновой функции димера, которые распространялись от центра к окраинам.

Чтобы измерить и визуализировать эти процессы, ученые после некоторой задержки облучали молекулы более мощным зондирующим импульсом, который ионизировал оба атома. Возникающее после этого отталкивание разгоняло ионы, которые детектировались с помощью метода ионной импульсной спектроскопии с холодной мишенью. Метод позволяет собирать информацию о величинах и направлениях импульсов частиц практически с полного телесного угла. При этом измеренный импульс можно связать с длиной, а направление — с ориентацией оси молекулы. Повторив подобные измерения достаточное количество раз, можно восстановить абсолютный квадрат волновой функции димера гелия.

Ученые исследовали анизотропию квадрата волновой функции с помощью параметра, названного мерой выравнивания, который представляет собой усредненный квадрат косинуса угла между осью димера и направлением поляризации импульса. В случае невозмущенного состояния эта мера всегда равна 1/3. Ее увеличение или уменьшение соответствует вытягиванию или сплющиванию квантового гало.

Схематическое изображение углового распределения оси димера относительно направления поляризации лазерного поля (оранжевая стрелка) для различный значений меры выравнивания

M. Kunitski et al./ Nature Physics, 2020

Измеренное значение меры выравнивания для различных времен и расстояний между ядрами

M. Kunitski et al./ Nature Physics, 2020

Тот же график, но полученный численным моделированием

M. Kunitski et al./ Nature Physics, 2020

Помимо абсолютного квадрата волновой функции, авторы смогли восстановить ее фазу. Это удалось сделать благодаря квантовой интерференции между невозмущенным и возмущенным состоянием димера, которое оказалось суперпозиционным. При интерференции результат сложения волн определяется не только их амплитудами, но и разностями их фаз. Исследуя то, насколько вероятность для суперпозиционного состояния отличается от суммы вероятностей для каждого отдельного состояния, физики делали вывод о свойствах фазы. Совокупность информации об амплитуде и фазе волновой функции позволила подтвердить предположение о том, что далеко друг от друга атомы ведут себя как свободные частицы.

Анализируя результаты, ученые сделали выводы о том, что при взаимодействии димера гелия с короткими лазерными импульсами его нельзя рассматривать как единое целое. Этим он отличается от обычных молекул, которые под действием похожих «пинков» описываются как жесткий или полужесткий волчок. Такая разница объясняется, тем, что в случае димера гелия в квантовой суперпозиции помимо основного состояния участвует всего одно вращательное состояние, которое к тому же нестабильно, в то время как у большинства молекул их очень много и они ведут себя похожим образом.

Таким образом, в работе было получено экспериментальное подтверждение гипотезы о том, что внешние поля способны контролируемо настраивать межатомное взаимодействие в гелиевых молекулах. Авторы надеются, что развитый в работе подход может быть использован и в случае других экзотических квантовых систем, например, в ефимовских тримерах.

Ученые давно ищут новые способы визуализировать волновые функции частиц. Ранее та же группа физиков похожим методом измерила квадрат волновой функции электронов в молекуле водорода. А совсем недавно мы рассказывали о том, как измеряют волновые функции в квантовых точках.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть