Vědci prokázali, že molekuly rotující v kapalném heliu tvoří nový typ kvazičástic, tzv. angulony.
Koncepce kvazičástice dovoluje fyzikům popisovat komplexní, mnohačásticové interakce způsobem, jako by se jednalo o jednočásticový útvar. Obvykle se tyto částice objevují v pevných látkách, jako jsou polovodiče. Nový typ kvazičástice, které se říká angulon, byla navržena pro popis rotace atomových nebo molekulárních příměsí v rozpouštědle. Poprvé byla teoreticky předpovězena před dvěma lety, teď ji vědci použili k vysvětlení zvláštního chování řady různých molekul rotujících v kapalném heliu.
Fyzici studovali kvazičástice už od čtyřicátých let minulého století. Lev Landau a Solomon Pekar využili kvazičástice polaronu k popisu chování elektronu pohybujícího se krystalovou mřížkou. Tím, jak se elektron pohybuje kupředu, ovlivňuje okolní atomy a polarizuje určitou oblast krystalu. Podrobný popis tohoto procesu by vyžadoval výpočet změny interakce mezi elektronem a obrovským počtem atomů, ale Landau si uvědomil, že by bylo možné provést aproximaci, kde by se elektron a jím vyvolané polarizace považovaly za jednu částici, která se chová jako jeden masivní elektron pohybující se prostorem.
Ve své nové práci sleduje teoretický fyzik Mikhail Lemeshko z Vídně kolektivní pohyb rotujících molekul interagujících s mnoha atomy v kapce supratekutého helia. Supratekutina, resp. supratekutost je charakteristická vlastnost kapaliny s nulovou viskozitou, která teče bez ztrát kinetické energie. Vyskytuje se ve dvou izotopech helia (helium-3 a helium-4) při teplotě těsně nad absolutní nulou. Je to i vlastnost různých jiných exotických stavů hmoty v astrofyzice, fyzice vysokých energií a v kvantové teorii gravitace.
Supratekutost je podobná supravodivosti v pevných látkách, kdy materiál neklade žádný zjistitelný odpor průchodu elektrického proudu. Kapka supratekutého helia proto fyzikům dovoluje udržovat jednotlivé molekuly zlomky stupně nad teplotou absolutní nuly a zaznamenávat jejich chování bez jakéhokoliv zkreslení. To je zvláště užitečné pro studium velmi reaktivních molekul, jako jsou například volné radikály.
Systém může být analyzován semiklasicky za předpokladu, že zachycená molekula kolem sebe vytváří „skořápku“ supratekutého helia (nekvantově mechanického), takže se při rotaci zpomaluje. Ale supratekuté helium je kvantově mechanický materiál, který je popsán Bose-Einsteinovou statistikou. Fyzici v minulých letech provedli hrubou numerickou simulaci systému, ale složitost interakcí mezi mnoha částicemi omezila počet heliových atomů v těchto simulacích přibližně na sto. Kapky používané v experimentech měly však více než tisíc atomů.
Lemeshko přišel na to, že problém lze výrazně zjednodušit použitím koncepce angulonu. Stejně jako polaron sestává z elektronu plus deformací v okolní mřížce, angulon je tvořen rotující molekulou a poruchami, které způsobuje v okolním heliu. A zatímco polaron je v principu volně se pohybující, ale masivnější verze elektronu, angulon se chová jako nezachycená verze molekuly s větším momentem setrvačnosti.
Nyní přišel okamžik, kdy bylo možno porovnat experimentální výsledky, které Lemeshko shromažďoval 20 let, s teorií vypracovanou na Harvardu. Pro 25 různých molekul spočítal tým zúčastněných fyziků vliv okolních heliových atomů na rotační konstanty molekul, které jsou nepřímo úměrné jejich momentu setrvačnosti, a potom modifikovanou konstantu porovnal s hodnotou získanou experimentálně.
Aby dostali jednoduchý analytický výraz pro rotaci molekul, rozdělili vědci problém angulonu do dvou „režimů“. První režim, aplikovatelný hlavně na těžké molekuly, jako jsou ty, které obsahují atomy síry, zahrnuje molekuly s výraznou vazbou na helium (vysoká potenciální energie), ale s malou kinetickou energií. Naopak druhý režim je relevantní pro lehčí molekuly, jako je voda, které nesou větší množství kinetické energie, ale mají slabou vazbu na helium.
I když ne všechny předpovědi v režimu silné vazby skončily v rámci experimentálních nepřesností, Lemeshko se spolupracovníky došli k závěru, že pro nejtěžší molekuly dosáhli dobré shody s experimentem. Ještě lepší shody dosáhli v režimu slabé vazby, kde pro nejlehčí molekuly byly výsledky v rámci 2% chyby. Jen s některými molekulami střední velikosti byly potíže.
Bez ohledu na tyto problémy přinášejí výsledky studie přesvědčivý důkaz o tom, že molekuly rotující v supratekutém heliu skutečně tvoří angulony. Angulon sice není reálná fyzikální částice jako třeba elektron, ale je stejně reálný jako ostatní kvazičástice. Je o tom přesvědčen nejen Lemeshko, ale i řada dalších teoretiků.
Výsledky nyní Lemeshko hodlá aplikovat i na jiné objekty než jen molekuly v kapalném heliu. Otázkou například je, jestli by angulony mohly být použity k popisu výměny orbitálního momentu hybnosti elektronů s krystalovou mřížkou. V kladném případě by to mohlo podpořit vývoj ultrarychlých spínačů a pokročilého ukládání dat. Jenže tento výzkum je teprve na samém začátku.
Původní materiál byl uveřejněn v Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Vědci
vyvinuli metodu, jak těžit uran z mořské vody
Nové
využití fotoakustického jevu
Vědci
vyvinuli nový materiál, který dokáže blokovat symetrii pohybu
Třicet
let pozorování Supernovy 1987A