Физики увидели ридберговские поляроны в Бозе-газе

В Бозе-Эйнштейновском конденсате атомов стронция-84 могут возникать поляроны, представляющие собой ридберговские атомы, окруженные облаком упругих деформаций. Этот эффект увидели на практике и обосновали теоретически физики из Австрии и США. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Когда медленный электрон движется сквозь диэлектрик, он взаимодействует с его атомами и деформирует (поляризует) решетку. При перемещении электрона область деформаций смещается вместе с ним, и получается, будто электрон постоянно окружен облаком фононов. Более того, оказывается, что получившаяся квазичастица обладает квадратичным спектром, то есть имеет некоторую эффективную массу (она немного больше массы «обычного» электрона-квазичастицы). Такая квазичастица называется поляроном. Не следует путать эту квазичастицу с поляритоном, возникающим при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды (фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и так далее).

Поляроны возникают не только в диэлектриках, но и в металлах, полупроводниках, ионных кристаллах и даже ферромагнетиках (смотри «мешок Нагаоки»), а в качестве «ядра» полярона может выступать не только электрон, но и другая заряженная неоднородность. Разумеется, свойства поляронов в разных материалах отличаются. Поляроны играют важную роль для объяснения проводимости ионных кристаллов и полярных полупроводников, спинового переноса в органических полупроводниках и оптического поглощения двумерных материалов.

В этой статье группа ученых под руководством Томаса Киллиана (Thomas Killian) сообщает о спектроскопических наблюдениях ридберговских поляронов в бозе-конденсате атомов стронция-84. В таких поляронах в качестве «ядра» выступает ридберговский атом — атом, в котором электрон очень сильно возбужден, то есть находится на уровне с очень большим значением главного квантового числа n. В результате внутреннюю часть атома можно рассматривать как эффективную частицу с единичным положительным зарядом и большой массой, а в целом атом сильно напоминает обычный атом водорода.

Для начала исследователи приготовили бозе-конденсат, удерживая облако атомы стронция с помощью лазерных лучей (оптически-дипольная ловушка) и охлаждая его до температуры порядка 150 нанокельвинов. Среднее расстояние между соседними атомами в таком конденсате составляло примерно 80 нанометров. Затем ученые ионизировали атомы с помощью коротких (порядка микросекунды) вспышек лазеров с длиной волны 689 и 319 нанометров. В результате один из электронов внешней оболочки атома стронция переходил с s-орбитали на p-орбиталь, а потом перескакивал на s-орбиталь более высокой n-ой оболочки. Наконец, ученые измерили линейный отклик бозе-конденсата, то есть нашли, как амплитуды перехода между основным (невозбужденным) и возбужденным состояниями зависит от частоты возбуждения. В результате исследователи получили, что на низких частотах отклик растет согласно с распределением Гаусса (заштрихованные области на рисунке), а при достижении максимума спектр становится практически постоянным.

Также ученые численно исследовали конденсат атомов стронция, чтобы объяснить возникновение поляронов. Действительно, выписывая и диагонализуя гамильтониан ридберговского атома, помещенного в бозе-конденсат, можно получить спектр поляронов (гамильтониан Фрёлиха, Fröhlich Hamiltonian). Для этого физики использовали разработанный ранее подход, основанный на вычислении функциональных детерминантов (functional determinant approach, FDA). Вычисленная теоретически зависимость хорошо объясняла экспериментальные данные, причем ее гауссовая часть отвечала образованию поляронов.

Вообще говоря, обычно физики работают с бозе-конденсатом атомов рубидия-87, и раньше авторы статьи уже пытались разглядеть в нем поляроны. Однако из-за особенностей электронных оболочек (p-wave shape resonance) спектр поглощения ридберговских атомов рубидия сильно зависит от номера уровня n, на котором находится электрон, и это мешает распознать в экспериментальных данных резонансы, отвечающие поляронам. В конденсате атомов стронция-84 такие проблемы не возникают.

В конце прошлого года швейцарские физики из Института квантовой электроники одновременно возбудили в бозе-конденсате атомов рубидия-87 хиггсовскую и голдстоуновскую моду колебаний, хотя обычно одна из этих мод бывает подавлена. Для этого они удерживали конденсат с помощью лазерных пучков и следили за возникающими в нем возбуждениями с помощью брэгговской спктроскопии.

Дмитрий Трунин