عادة لا يوجد شيء داخل الذرة بين النواة والإلكترون، لكن لماذا لا توجد جسيمات أخرى أيضًا، إذا كان الإلكترون يدور حول النواة على مسافة كبيرة فهناك مساحة كبيرة بين الذرات الأخرى، ويمكن تكوين ذرة عملاقة مليئة بالذرات العادية، حيث تشكل كل هذه الذرات رابطة ضعيفة مما يخلق حالة جديدة وغريبة من المادة في درجات الحرارة الباردة يشار إليها باسم ريدبيرج بولارون.
جزئيات ريدبيرج بولارون
بولارون ريدبيرج هو حالة غريبة من المادة تم إنشاؤها في درجات حرارة منخفضة، حيث تحتوي ذرة كبيرة جدًا على ذرات عادية أخرى في الفراغ بين النواة والإلكترونات، ولتكوين هذه الذرة كان على العلماء الجمع بين حقلين في الفيزياء الذرية، وهي مكثفات بوز-آينشتاين وذرات ريدبيرج، وتتشكل ذرات ريدبيرج عن طريق إثارة ذرة واحدة إلى حالة عالية الطاقة، حيث يكون الإلكترون بعيدًا جدًا عن النواة.
مكثفات بوز – آينشتاين هي حالة من المادة التي يتم إنتاجها عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، تتلاءم ذرات السترونتيوم باللون الأصفر داخل المدار بين النواة باللون الأحمر والإلكترون باللون الأزرق لذرة ريدبيرج، ويتم تحفيز البولارونات باستخدام الليزر لإثارة ذرات ريدبيرج الموجودة على شكل شوائب في مكثف بوز-آينشتاين.
في ذرات (Rydberg) يمكن أن يصل متوسط المسافة بين الإلكترون ونواته إلى عدة مئات من النانومترات، وهو أكثر من ألف مرة نصف قطر ذرة الهيدروجين، وفي ظل هذه الظروف تكون المسافة بين النواة والإلكترون لذرات ريدبيرج المثارة أعلى من متوسط المسافة بين ذرات الكُثافة، نتيجة لذلك تقع بعض الذرات داخل مدار إلكترون ذرة ريدبيرج.
بما أن الذرات لا تحتوي على شحنة كهربائية فإنها تنتج قوة قليلة فقط على الإلكترون، ومع ذلك فإن الإلكترون مبعثر قليلاً عند الذرات المحايدة دون حتى أن يغادر مداره والرابطة الضعيفة التي تتولد بين ذرة ريدبيرج والذرات الموجودة بداخلها، والتي تربطها ببعضها البعض تُعرف باسم ريدبيرج بولارون.
تكوين بولارونات ريدبيرج في غاز بوز
- تم إنشاء مكثف بوز – آينشتاين من ذرات السترونشيوم باستخدام الليزر، وتم نقل الطاقة إلى إحدى هذه الذرات وتحويلها إلى ذرة ريدبيرج بنصف قطر ذري ضخم، إن نصف قطر المدار الذي يتحرك فيه الإلكترون حول النواة أكبر بكثير من المسافة النموذجية بين ذرتين في المكثف، لذلك يدور الإلكترون حول نواته الذرية، بينما توجد العديد من الذرات الأخرى داخل مداره أيضًا.
- اعتمادًا على نصف قطر ذرة ريدبيرج وكثافة مكثف بوز أينشتاين فقد يتم وضع ما يصل إلى 170 ذرة من السترونشيوم الإضافية بواسطة المدار الإلكتروني الضخم، وهذه الذرات لها تأثير ضئيل على مسار إلكترون ريدبيرج، ويقول شوهي يوشيدا لا تحمل الذرات أي شحنة كهربائية لذلك فهي تمارس أقل قدر من القوة على الإلكترون، لكن إلى درجة صغيرة جدًا لا يزال الإلكترون يتأثر بوجود الذرات المحايدة على طول مساره.
- إنه مبعثر عند الذرات المحايدة ولكن بشكل طفيف جدًا دون أن يغادر مداره أبدًا، وتسمح فيزياء الكم للإلكترونات البطيئة بهذا النوع من التشتت الذي لا ينقل الإلكترون إلى حالة مختلفة، وكما تظهر عمليات المحاكاة الحاسوبية فإن هذا النوع الضعيف نسبيًا من التفاعل يقلل الطاقة الكلية للنظام، ويتم إنشاء رابطة بين ذرة ريدبيرج والذرات الأخرى داخل المدار الإلكتروني.
- يقول شوهي يوشيدا إنه وضع غير عادي للغاية فعادة يتعامل العلماء مع نوى مشحونة تربط الإلكترونات، حيث يوجد ذرات متعادلة مرتبطة بالإلكترون، وهذه الرابطة أضعف بكثير من الرابطة بين الذرات في البلورة.
- لذلك لا يمكن اكتشاف حالة المادة الغريبة هذه التي تسمى ريدبيرج بولارون إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا، وإذا كانت الجسيمات تتحرك بشكل أسرع فسوف تنكسر الرابطة، وكما يقول يواكيم بورغدورفر: بالنسبة لنا فإن حالة المادة الجديدة ضعيفة الارتباط هي إمكانية جديدة مثيرة للتحقيق في فيزياء الذرات شديدة البرودة، وبهذه الطريقة يمكن للمرء أن يسبر خصائص مكثف بوز-آينشتاين على مقاييس صغيرة جدًا بدقة عالية جدًا.
تنبأ المنظرون في جامعة هارفارد بالحالة الجديدة للمادة في عام 2016، وتم تأكيدها في عام 2018 عن طريق التحليل الطيفي في تجربة باستخدام مكثف السترونتيوم بوز-آينشتاين، نظريًا يمكن لما يصل إلى 170 ذرة من السترونشيوم العادي أن تتلاءم بشكل وثيق مع المدار الجديد لذرة ريدبيرج اعتمادًا على نصف قطر ذرة ريدبيرج وكثافة مكثف بوز-أينشتاين.
