Физиците току-що са уловили светлина, действаща като "лепило" между атомите, в един вид хлабаво свързана молекула.
"Успяхме за първи път да поляризираме няколко атома заедно по контролиран начин, създавайки измерима сила на привличане между тях", казва физикът от университета в Инсбрук Матиас Сонлайтнер.
Атомите се свързват и образуват молекули по различни начини, като всички те включват размяна на заряди като вид "суперлепило". Някои споделят своите отрицателно заредени електрони, образувайки относително силни връзки - от най-простите газове от два свързани кислородни атома, които постоянно вдишваме, до сложните въглеводороди, които се носят в космоса. Някои атоми се привличат поради разликите в общия им заряд.
Електромагнитните полета могат да променят разположението на зарядите около атома. Тъй като светлината е бързо променящо се електромагнитно поле, дъжд от подходящо насочени фотони може да тласне електроните в позиции, в които на теория могли са свързани.
"Ако сега включите външно електрическо поле, това разпределение на заряда се измества малко", обяснява физикът Филип Хаслингер от Техническия университет на Виена (TU Wien).
"Положителният заряд се измества леко в една посока, отрицателният заряд леко в другата посока, атомът изведнъж има положителна и отрицателна страна, той е поляризиран."
Хаслингер, атомният физик от Техническия университет на Виена Мира Майвогер и колеги използвали ултрастудени атоми на рубидий, за да демонстрират, че светлината наистина може да поляризира атомите по почти същия начин, което на свой ред прави иначе неутралните атоми малко лепкави.
"Това е много слаба сила на привличане, така че трябва да проведете експеримента много внимателно, за да можете да я измерите", казва Майвогер.
"Ако атомите имат много енергия и се движат бързо, привличащата сила изчезва незабавно. Ето защо беше използван облак от ултрастудени атоми."
Екипът уловил облак от около 5000 атома под покрит със злато чип в една равнина, използвайки магнитно поле.
На това място те охладили атомите до температури близо абсолютната нула (−273 °C или −460 °F) и се образувал квазикондензат - частиците на рубидия започват да действат колективно и да споделят свойства, сякаш са в пето състояние на материята, но не съвсем в същата степен.
Ударени с лазер, атомите изпитали различни сили. Например радиационното налягане от входящите фотони може да ги избута по протежение на светлинния лъч. Междувременно реакциите на електроните могат да изпратят атома обратно към най-интензивната част на лъча.
За да открият финото привличане, за което се смята, че възниква между атомите в този поток от електромагнетизъм, изследователите трябвало да направят някои внимателни изчисления.
Когато изключили магнитното поле, атомите паднали свободно за около 44 милисекунди, преди да достигнат полето на лазерната светлина, където също бяха изобразени с помощта на флуоресцентна микроскопия на светлинен лист.
По време на падането облакът естествено се разширил, така че изследователите успели да направят измервания при различни плътности.
При висока плътност до 18 процента от атомите липсвали от наблюдателните изображения, които правели. Изследователите смятат, че причина за това са сблъсъци, подпомогнати от светлината, които изхвърлили рубидиевите атоми от техния облак.
Това демонстрира част от това, което се случва - не само входящата светлина влияе върху атомите, но и разсейването на светлината от другите атоми. Когато светлината докоснала атомите, тя им дала полярност.
В зависимост от вида на използваната светлина, атомите са били привлечени или отблъснати от по-голям интензитет на светлината. Така че те или били изпратени към област на по-ниска светлина, или към по-висока светлина, но във всеки случай те в крайна сметка се натрупвали заедно.
"Съществена разлика между обичайните сили на радиация и взаимодействието [задействано от светлина] е, че последното е ефективно взаимодействие между частици, медиирано от разсеяна светлина", пишат учените в своята статия.
"То не улавя атоми във фиксирана позиция (например фокус на лазерен лъч), а ги привлича към области с максимална плътност на частиците."
Докато тази сила, събираща атомите, е много по-слаба от молекулярните сили, с които сме по-запознати, в големи мащаби тя може да се натрупва. Това може да промени моделите на емисиите и резонансните линии – характеристики, които астрономите използват за небесните обекти.
Това също може да помогне да се обясни как се образуват молекулите в космоса.
"В необятния космос малките сили могат да играят значителна роля", казва Хаслингер.
"Тук успяхме да покажем за първи път, че електромагнитното излъчване може да генерира сила между атомите, което може да помогне да се хвърли нова светлина върху астрофизичните сценарии, които все още не са обяснени."
Това изследване е публикувано в Physical Review X.
