ЖЕНСКИЙ ПОРТАЛ
» Квантовый прыжок нарушает баланс

- Квантовый прыжок нарушает баланс

Открылась новая дверь в квантовый мир: когда атом поглощает или высвобождает энергию посредством квантового скачка электрона, он становится тяжелее или легче. Это можно объяснить теорией относительности Эйнштейна (E = mc2). Тем не менее, эффект является незначительным для одного атома. Тем не менее, команда Клауса Блаумана Сергея Елисеева из Института ядерной физики имени Макса Планка впервые успешно измерила это бесконечно малое изменение массы отдельных атомов. Чтобы достичь этого, они использовали сверхточный атомный баланс Pentatrap в Институте в Гейдельберге. Команда обнаружила ранее ненаблюдаемое квантовое состояние в рении, которое может быть интересным для будущих атомных часов. Прежде всего, этот чрезвычайно чувствительный атомный баланс позволяет лучше понять сложный квантовый мир тяжелых атомов, по информации сайта nexusrus.com.

Удивительно, но факт: если вы заводите механические часы, они становятся тяжелее. То же самое происходит, когда вы заряжаете свой смартфон. Это можно объяснить эквивалентностью энергии (E) и массы (m), которую Эйнштейн выразил в самой известной в физике формуле: E = mc 2 (c: скорость света в вакууме). Однако этот эффект настолько мал, что он полностью ускользает от нашего повседневного опыта. Обычный баланс не сможет его обнаружить.

Но в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге есть баланс, который может: Пентатрап. Он может измерять незначительное изменение массы одного атома, когда электрон в нем поглощает или высвобождает энергию посредством квантового скачка, открывая, таким образом, новый мир для точной физики. Такие квантовые скачки в электронных оболочках атомов формируют наш мир - будь то живительный фотосинтез и общие химические реакции или создание цвета и нашего видения.

Муравей на вершине слона

Рима Шюслер, ныне постдокторант Института ядерной физики им. Макса Планка, помогала создавать Pentatrap с момента завершения магистерской диссертации в 2014 году. Она является ведущим автором статьи о неожиданном открытии, сделанном в сотрудничестве с Максом Планком PTB Riken. В центре: в рении есть ранее неизученное электронное квантовое состояние со специальными свойствами. Шюсслер использует следующую аналогию, чтобы описать степень чувствительности, с которой Pentatrap может обнаружить скачок электрона в это квантовое состояние посредством изменения массы атома рения: «Взвесив шеститонного слона, мы смогли определить, может ли муравей по десять миллиграмм ползал по нему ".

Пентатрап состоит из пяти ловушек Пеннинга. Чтобы такая ловушка могла взвешивать атом, он должен быть электрически заряжен (то есть стать ионом). Поскольку рений был лишен 29 из 75 электронов, он сильно заряжен. Это резко повышает точность измерения. Ловушка захватывает этот сильно заряженный ион рения в комбинации магнитного поля и электрического поля особой формы. Внутри он движется по круговой дорожке, которая запутанно запутывается в себе. В принципе это можно представить как шар на веревке, который может вращаться в воздухе. Если это делается с постоянной силой, более тяжелый шар вращается медленнее, чем более легкий.

Чрезвычайно долгоживущее квантовое состояние в рении

В Pentatrap два иона рения вращались попеременно в сложенных ловушках. Один ион находился в энергетически низшем квантовом состоянии. Когда второй ион генерировался, электрон был случайным образом возбужден в более высокое состояние путем подачи энергии. В каком-то смысле это были часы с намоткой. Из-за накопленной энергии он стал немного тяжелее и, следовательно, циркулировал медленнее, чем первый ион. Pentatrap точно подсчитывает количество оборотов за единицу времени. Разница в количестве оборотов привела к увеличению веса.

Используя этот метод, команда обнаружила чрезвычайно долгоживущее квантовое состояние в рении. Он метастабилен (то есть распадается после определенного времени жизни). Согласно расчетам теоретиков из института под руководством Золтана Хармана и Кристофа Х. Кейтеля из Гейдельбергского университета и лаборатории Кастлера Бросзеля в Париже, это 130 дней. Энергия квантового состояния также достаточно хорошо согласуется с модельными расчетами с использованием самых современных методов квантовой механики.

Возможное применение в будущих атомных часах

Такие возбужденные электронные состояния в сильно заряженных ионах интересны как для фундаментальных исследований, так и для возможного применения в будущих атомных часах, что было исследовано рабочей группой Хосе Креспо Лопеса-Уррутиа в Институте в сотрудничестве с Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Для них метастабильное состояние в рении является привлекательным по нескольким причинам. Во-первых, из-за своей долговечности он соответствует резкой орбитальной частоте электрона вокруг атомного ядра. Во-вторых, электрон может возбуждаться мягким рентгеновским светом, чтобы перейти в это квантовое состояние. В принципе, такие часы могут работать быстрее и, следовательно, даже точнее, чем современные поколения оптических атомных часов. Однако, по словам Эккехарда Пейка, который отвечает за «Время и Частоту»

«Тем не менее, этот новый метод обнаружения долгоживущих квантовых состояний является впечатляющим», - подчеркивает физик. Он воображает, что атомные часы, работающие с такими новыми квантовыми состояниями, могут первоначально предложить новое поле для фундаментальных исследований. Поскольку ионы рения испытывают недостаток во многих экранирующих друг друга электронах, оставшиеся электроны особенно сильно ощущают электрическое поле атомного ядра. Поэтому электроны движутся вокруг ядра с такими высокими скоростями, что их движение должно быть описано с использованием теории специальной теории относительности Эйнштейна. С новым атомным балансом также можно было бы с высокой точностью проверить, взаимодействуют ли специальная теория относительности и квантовая теория, как описано в этой теории.

В целом, новый атомный баланс предлагает новый доступ к квантовой внутренней жизни более тяжелых атомов. Поскольку они состоят из множества частиц - электронов, протонов и нейтронов - они не могут быть точно рассчитаны. Поэтому атомные модели для теоретических расчетов основаны на упрощениях, и теперь они могут быть проверены чрезвычайно точно. Можно было бы использовать такие атомы в качестве зондов при поиске неизвестных частиц, которые могут быть обнаружены только чрезвычайно слабой гравитационной силой. Эта темная материя является одной из величайших неразгаданных тайн физики.


Предыдущая статья
Следущая статья