【博科園-科學(xué)科普（關(guān)注“博科園”看更多）】美國和奧地利物理學(xué)家利用激光將超冷鍶原子轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這與之前在自然界看到的結(jié)構(gòu)不同。萊斯大學(xué)物理學(xué)家湯姆基利安說：我很驚訝我們發(fā)現(xiàn)了一種原子聚集的新方式。它表明物理學(xué)和化學(xué)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(xué)家，總結(jié)了該小組的實驗結(jié)果。基利安與來自賴斯量子材料中心的實驗物理學(xué)家和來自哈佛大學(xué)和維也納科技大學(xué)的理論物理學(xué)家合作開展為期兩年的項目，用鍶原子制造“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(xué)原子物理學(xué)家喬Whalen致力于超冷鍶氣體激光冷卻系統(tǒng)。圖片版權(quán)：Jeff Fitlow /萊斯大學(xué)
Killian說，該小組的研究結(jié)果在PRL論文中概述，并在本周出現(xiàn)在物理評論A（PRA）中的理論研究中，揭示了有關(guān)物質(zhì)基本性質(zhì)的新內(nèi)容。我們在化學(xué)課上學(xué)到的基本法則告訴我們原子如何結(jié)合在一起形成分子，對這些原理的深刻理解是化學(xué)家和工程師能夠在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫牟牧?。但是這些規(guī)律也很嚴(yán)格，只有某些原子組合才能在分子中形成穩(wěn)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(tǒng)的原子結(jié)合在一起的規(guī)則所描述。新的分子只有在非常低的溫度下穩(wěn)定 - 大約是絕對零度以上的百萬分之一。
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在如此低的溫度下，組成原子的時間足夠長，以便在新的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中 “粘合在一起” 。一個驚人的事情是，可以繼續(xù)附加任意數(shù)量的原子到這些分子。這就像附加樂高塊，這是傳統(tǒng)類型的分子無法做到的。這一發(fā)現(xiàn)將對理論化學(xué)家，凝聚態(tài)物理學(xué)家，原子物理學(xué)家和物理學(xué)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(jié)合在一起制造分子和材料。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)并理解這些技巧時，我們滿足于對生活世界的固有好奇心，并且通常會導(dǎo)致像新治療藥物或光捕獲太陽能電池這樣的實際進(jìn)步。
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現(xiàn)在分辨實際應(yīng)用還為時過早將來自我們的工作，但像這樣的基礎(chǔ)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制造，測量和預(yù)測特定物質(zhì)狀態(tài)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(xiàn)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(fā)，以便它們遠(yuǎn)離原子的原子核。里德伯原子可以用一個多世紀(jì)前由瑞典物理學(xué)家約翰內(nèi)斯里德伯格寫下的簡單規(guī)則來描述。他們已經(jīng)在實驗室中研究了數(shù)十年，并被認(rèn)為存在于深空冷空氣中。PRL研究中的里德堡原子高達(dá)1微米寬，比正常鍶原子大1000倍。當(dāng)單個粒子與其環(huán)境強烈相互作用并引起附近的電子，離子或原子自身重新排列并形成粒子攜帶的一種涂層時，會產(chǎn)生極化子。
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極化子本身是已知為準(zhǔn)粒子-并入原始粒子及其環(huán)境的特性的集體統(tǒng)一物體。里德堡極化子是一類新的極化子，當(dāng)它穿過致密的超冷云時，高能量遠(yuǎn)軌道電子在其軌道內(nèi)聚集數(shù)百個原子。在水稻實驗中，研究人員開始創(chuàng)建數(shù)十萬鍶原子的過冷云。通過協(xié)調(diào)激光脈沖的時間和電場的變化，研究人員能夠逐一創(chuàng)建和計數(shù)里德堡極化子，最終形成數(shù)以百萬計的研究。雖然里德伯格極化子之前是用銣制造的，但是鍶的使用使物理學(xué)家能夠更清楚地解析出涂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。
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物理學(xué)和天文學(xué)教授基利安說：我給了理論家很多的信任，他們開發(fā)了強大的技術(shù)來計算數(shù)百個相互作用粒子的結(jié)構(gòu)，以便解釋我們的結(jié)果并識別里德堡極化子的特征。從實驗的角度來看，制造和測量這些極化子是具有挑戰(zhàn)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(shù)來計算這些脆弱和短暫的物體。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：物理評論A
內(nèi)容：經(jīng)“博科園”判定符合今主流科學(xué)
來自：萊斯大學(xué)
編譯：光量子
審校：博科園
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