«Запрещенные» квантовые скачки стали возможны благодаря пондеромоторной спектроскопии

Новое применение старого инструмента позволило ученым использовать свет для изучения и управления материей с разрешением и точностью, в 1000 раз превышающими ранее возможные. Физики Мичиганского университета продемонстрировали «пондеромоторную спектроскопию», продвинутую форму этой техники, которая родилась в 15 веке, когда Исаак Ньютон впервые показал, что белый свет, проходя через призму, разбивается на радугу.

Спектроскопия имеет важное значение для многих отраслей науки. Этот термин в широком смысле относится к использованию света, чаще всего с помощью лазеров, для наблюдения, измерения и манипуляции материей. С ее помощью ученые могут обнаруживать следы загрязняющих веществ. Они могут определять элементы в атмосферах планет за пределами Солнечной системы. И они заложили основу для вычислений и обработки информации. Это всего несколько примеров использования спектроскопии.

Новая спектроскопия высокого разрешения позволяет ученым заглянуть глубже в структуру атомов и напрямую управлять их поведением. Она может найти применение в квантовых компьютерах, которые задействуют частицы, атомы или электроны, для выполнения обработки информации и прочих задач. Квантовые компьютеры могут существенно повысить вычислительную мощность техники, потому что выполняют множество вычислений одновременно. Кроме того, они будут значительно безопаснее традиционных компьютеров.

Кроме того, новая спектроскопия может привести к новому пониманию фундаментальной физики, говорит Кейтлин Мур, аспирант в области прикладной физики Колледжа литературы, науки и искусств при Мичиганском университете.

«Свобода доступа, которую предлагает наша техника, может полностью изменить принципы характеристики атомов и молекул, а также и физики, лежащей в основе этих типов измерений», — говорит Мур.

Чтобы продемонстрировать свою технику, ученые начали с атомов мягкого металла рубидия. В атомах рубидия только один электрон занимает наружную валентную оболочку. С помощью точно настроенного лазера ученые возбуждают этот внешний электрон достаточно, чтобы переместить его в 100 раз дальше от ядра атома. Это превратило его в так называемый атом Ридберга — гиганта, который не только обладает большим размером, но и более мощно взаимодействует. Из-за этих свойств атомы Ридберга считаются хорошими кандидатами на использование в схемах будущих квантовых компьютеров.

Лазерная решетка

Затем ученые создали решетку лазерных лучей, которая образовала своего рода картонную коробку для яиц из света. Эта решетка вызвала появление пондеромоторной силы, которая важна в этом подходе. Пондеромоторное взаимодействие присутствует во всех световых полях. Однако ученые обнаружили, что если луч лазера пульсирует с определенной частотой в течение некоторого времени, они могут использовать это поле, чтобы поймать целый атом Ридберга, вместе с его внешним электроном, и индуцировать в этом атоме настоящий квантовый скачок, который был бы запрещен с традиционной спектроскопией.

Научный термин «квантовый скачок» означает «атомный переход», он относится к изменению квантового состояния электрона в атоме. Изменение квантового состояния — это изменение того, как много энергии или углового момента содержит электрон. Угловой момент относится к форме пути электрона вокруг ядра атома. Ученые определяют разные формы разными буквами, можете думать о них как о нотах для фортепиано.

С обычной спектроскопией ученые могут вызвать только смещение углового момента на величину одной ноты одновременно, да и то по порядку. Они не могут перевести электрон, скажем, с пути D до G. И они не могут сбить электрон с середины пути D в другую точку пути D. В ходе такого квантового скачка орбита электрона будет сохранять свою форму, но его энергия изменится. Так что если бы форма была сферой, а состояние электрона изменилось бы в сторону большей энергии, новое состояние представляло бы уже большую сферу.

Зачем ученым это нужно? Стимулирование одного из этих «запрещенных» изменений могло бы эффективно раскрыть обычно скрытую информацию о структуре атома. Вот на что способна пондеромоторная спектроскопия. Эта техника позволяет ученым увидеть и спровоцировать более широкий спектр поведений электрона, чем когда-либо раньше. Правила отбора обычной спектроскопии — которая настаивает на соблюдение порядка атомных переходов — просто не применяются.

«Мы можем выбрать, с какими атомами хотим пообщаться, с пространственным разрешением, которые в тысячу раз лучше обычного, — говорит Мур. — Это может быть полезно в квантовых вычислениях».

По большому счету, добавляет профессор физики Джордж Рейтель, эта работа дает атомным физикам новый инструмент для изучения атомов и молекул.