物理學家們剛捕捉到,在一種鍵結鬆散的分子中,光可以作為原子之間的「膠水」。

理論基礎

奧地利因斯布魯克大學(University of Innsbruck)的物理學家馬提亞斯·桑萊特納(Matthias Sonnleitner)博士後研究員說:「我們第一次成功地在控制的方法下,使數個原子極化在一起,在它們之間創造出可量測的吸引力。」

原子以各種方式連接來形成分子,而這些方式都包括電荷的交換,作為一種「超級膠」。有些會共享帶負電的電子,形成相對強的鍵結,最簡單的從比如我們經常吸入的氧氣,就是兩顆連體的氧原子所形成,到漂浮在太空中的複雜烴。有些原子則憑藉它們整體電荷上的差異而互相吸引。

電磁場能夠改變原子周圍電荷的排列。由於光是一種快速變化中的電磁場,因此理論上,一陣方向被適當引導的光子雨,可以將電子推到適當的方向,而看到它們鍵結。

維也納工業大學(Technical University of Vienna,TU Wien)的物理學家菲利普·哈斯林格助理教授(Philipp Haslinger)解釋說:「如果你現在打開外部電場,會改變一點電荷分佈。正電荷會稍微往一個方向偏移,負電荷會稍微往另一個方向偏移;此時原子突然有正極端與負極端,它就被極化了。」

實驗設計

哈斯林格助理教授、TU Wien 的原子物理學家米拉·麥沃格博士(Mira Maiwöger)與其同事們使用了超冷銣原子來展示出,光確實能夠以幾乎相同的方式來極化原子,讓本來中性的原子變得有點黏性。

麥沃格博士說:「這是一個非常弱的吸引力,所以你必須非常小心地進行實驗,才有辦法測量它。如果原子有很多能量,且正快速移動的話,那吸引力很快就會消失了。這就是為何我們使用極冷的原子。」

研究團隊使用了磁場,在單一平面中一鍍金的晶片底下,捕獲約 5000 顆原子的原子雲。在那裡,他們將原子冷卻到趨近絕對零度(攝氏 -273 度),形成準凝態(quasicondensate)。如此一來,銣粒子開始集體行動,並且共享性質,就如同它們在物質的第五態般,但程度完全不同。

藉由雷射照射,原子承受了各式各樣的力。舉例來說,來自入射光子的輻射壓力能夠將原子沿著光線方向推動。同時,電子間的反應能夠將原子拉往光線最強烈的部分。

實驗發現

為了偵測在此電磁場的激流當中,被認為會出現在原子間的微弱吸引力,研究人員必須進行一些仔細的計算。.

當他們把磁場關掉時,在原子抵達雷射光場之前,它們會自由落體約 44 毫秒。在該雷射光場,研究人員亦使用擇面照明螢光顯微技術(light sheet fluorescence microscopy,LSFM)來拍攝影像。在自由落體之間,由於原子雲自然地擴張,所以研究人員能夠在不同密度之處進行測量。

在較高密度處,麥沃格博士與其同事發現,在他們拍攝的觀測影像中,有達 18% 的原子消失了。他們相信,消失的原因是由於光所協助造成的碰撞,將銣原子從原子雲當中被踢出。

這展示出了部分發生中的事,不是只有入射光影響著原子,還有其他散射原子的光也是。隨著光碰觸到了原子,光就給了它們極性。

取決於所使用的光的類型,原子不是被更大的光強度所吸引,不然就是被排斥。因此,它們不是被推向低光強度區域,就是被推向高光強度區域,但在每個情況下,它們最終都會聚集在一起。

麥沃格博士與其同事們在論文中寫到:「通常的輻射力、與(由光觸發的)互動間最基本的不同在於,後者是有效的粒子與粒子間的互動,是由散射的光所調節的。它並沒有將原子們困在固定的位置(比方說雷射光的焦點),而是將它們拉向粒子密度最大的區域。」

未來應用

雖然這股將原子聚集起來的力,比起我們更熟知的分子力還要來得弱,但是在大尺度上,它就能夠加大。它們可以使放射模式與共振線偏移,而這些特徵是天文學家所用來告知我們,他們對天體的理解的特徵。它也可以幫助解釋分子是如何在太空中所形成的。

哈斯林格助理教授說:「在廣袤的太空當中,微小的力量可能扮演重要的角色。在此,我們首次能夠展示出,電磁輻射可以在原子之間產生力,這可能可以幫忙在還沒有解釋過的天體物理學情境中闡明新觀點。」

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參考資料:

  1. Koumoundouros, T., (2022, August 4). Physicists Finally Measure a Long Theorized Molecule Made From Light And Matter. ScienceAlert
  2. Maiwöger, M. et al., (2022, July 27). Observation of Light-Induced Dipole-Dipole Forces in Ultracold Atomic Gases. Physical Review X. doi/10.1103/PhysRevX.12.031018
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/physicists-finally-measure-a-long-theorized-molecule-made-of-light-and-matter(圖:Harald Ritsch/TU Wien)
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