Квантовый скачок чаша весов

Новую дверь в квантовый мир был открыт: когда атом поглощает или испускает энергию через квантовый скачок электрона, то он становится тяжелее или легче. Это может быть объяснено по теории относительности Эйнштейна (Е = mc2). Однако, эффект мизер для одного атома. Тем не менее, команда Клауса Blaumand Сергей Елисеев в Институте Макса Планка по ядерной физике был успешно измерен этот бесконечно малое изменение массы отдельных атомов впервые. Для того чтобы добиться этого, они использовали сверхточные Pentatrap атомной баланс института в Гейдельберге. Команда обнаружен ранее не замеченный квантовое состояние, в рения, которые могут быть интересны для будущих атомных часов. Прежде всего, это чрезвычайно чувствительные атомной баланс позволяет лучше понять сложный квантовый мир тяжелых атомов.

Удивительно, но факт: если вы заводите механические часы, он становится тяжелее. То же самое происходит, когда вы заряжаете свой смартфон. Это можно объяснить эквивалентность энергии (Е) и массу (M), с помощью которого Эйнштейн выразил в самая известная формула в физике: e = МС2 (с: скорость света в вакууме). Однако, этот эффект настолько мал, что его полностью ускользает от нашего повседневного опыта. Обычный баланс не смог бы обнаружить его.

Но в Институте Макса Планка по ядерной физике в Гейдельберге, существует баланс, который может: Pentatrap. Он может измерять мельчайшие изменения массы одного атома, когда электрон поглощает или испускает энергию через квантовый переход, тем самым открывая новый мир для точной физики. Такие квантовые переходы в электронных оболочках атомов, изменивших наш мир-будь в живительной фотосинтеза и общей химической реакции или в создании цвета и наше видение.

Муравей на слона

Римма Schüssler, теперь postdoctoral собрат на Институте Макса Планка по ядерной физике, помог построить Pentatrap после завершения кандидатской диссертации в 2014 году. Она является ведущим автором бумаги на неожиданное открытие, сделанное в сотрудничестве на МАКС-центр » ПТБ » Рикен Планка: в рений, есть ранее неизвестные электронные квантовые состояния с особыми свойствами. Schüssler использует следующую аналогию, чтобы описать степень чувствительности, с которой Pentatrap может обнаружить прыжка электрона в данном квантовом состоянии через массовое изменение рения атом: «с весом в шесть-тонного слона, мы были способны определить, является ли десять миллиграмм муравей ползал на нем».

Pentatrap состоит из пяти ловушках Пеннинга. Для того, для такую ловушку, чтобы иметь возможность взвесить атом, он должен быть электрически заряжен (т. е. стать Ионом). Поскольку рений был лишен 29 из 75 электронов, весьма заряжен. Это значительно увеличивает точность измерения. Ловушка захватывает такой наэлектризованной рения ионов в комбинации магнитного поля и специальной формы электрического поля. Внутри он перемещается по круговой траектории, которая неразрывно скручены в себя. В принципе, ее можно рассматривать как шар на веревке, который разрешается поворачивать в воздухе. Если это делается с постоянной силой, более тяжелый шар вращается медленнее, чем более легкое.

Чрезвычайно долгоживущие квантовые состояния в Рени

В Pentatrap, двух ионов рения вращается попеременно в наборный ловушки. Один Иона был в энергетически низкой квантовое состояние. Когда второй Ион был создан, Электрон был случайным возбуждением в высшее состояние, поставляя энергию. В некотором смысле, это была рана часы. Из-за накопленной энергии, он стал незначительно тяжелее и, следовательно, распространяется медленнее, чем в первый Ион. Pentatrap точно подсчитывает количество оборотов в единицу времени. Разница в количестве оборотов дало увеличение веса.

Используя этот метод, команда обнаружен чрезвычайно долгоживущие квантовые состояния в рения. Она является метастабильной (т. е. он распадается через определенное время жизни). По расчетам теоретиков из института под руководством Золтана Харман и Кристоф Х. Кейтель, Гейдельбергский университет, и лаборатории Кастлера-Бросселя в Париже составляет 130 дней. Энергия квантового государства также довольно хорошо согласуется с модельными расчетами с использованием современных квантово-механических методов.

Возможные приложения в будущих атомных часов

Таких возбужденных электронных состояний в сильно заряженные ионы представляют интерес для фундаментальных исследований, а также для возможного применения в будущем атомных часов исследован рабочей группой Хосе Креспо Лопес-Уррутиа в институте в сотрудничестве с физико-техническим институтом (PTB). Для них метастабильное состояние в рений является привлекательным по нескольким причинам. Во-первых, из-за его долговечности, оно соответствует резкому частоты обращения электрона вокруг атомного ядра. Во-вторых, электрон может быть возбужден с мягкого рентгеновского света, чтобы прыгнуть в этом квантовом состоянии. В принципе, такие часы могут тикать быстрее, и поэтому даже более точно, чем нынешнее поколение оптических атомных часов. Однако, по словам Эккехарда Peik, кто отвечает за «время и частота» Департамент по ПТБ и кто не участвует в работе, это еще слишком рано строить предположения о том, что открытие может быть пригодным для нового поколения атомных часов.

«Тем не менее, этот новый метод для обнаружения долгоживущих квантовых состояний является впечатляющим», — подчеркнул физик. Он воображает, что атомные часы, работающие с помощью таких новых квантовых состояний вначале могут предложить новый тест области фундаментальных исследований. Потому что ионы рения отсутствие многих взаимного экранирования электронов, остальные электроны чувствуют электрическое поле атомного ядра особенно сильно. Поэтому электроны гонки вокруг ядра на таких высоких скоростях, что их движения должны быть описаны с помощью теории относительности Эйнштейна. С нового атомного баланса, это также можно проверить с высокой точностью, является ли специальная теория относительности и квантовая теория взаимодействия, как описано по этой теории.

В общем, новой атомной баланс открывает новый доступ к квантово-как внутреннюю жизнь более тяжелых атомов. Потому что они состоят из многих частиц: электронов, протонов, и нейтронов, не могут быть вычислены точно. Поэтому атомные модели для теоретических расчетов основана на упрощениях, и они могут теперь быть проверены очень точно. Можно использовать такие атомы в качестве зондов в поисках неизвестных частиц, которые могут быть обнаружены только очень слабые гравитационные силы. Эта темная материя-одна из величайших неразгаданных тайн в физике.

сделать разницу: спонсорские возможности