«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.
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.
