Физикам удалось напрямую измерить вандерваальсовы силы

Команда учёных Французского национального центра научных исследований (CNRS) смогла предельно точно измерить вандерваальсовы силы, возникающие между двумя атомами, находящимися на минимальном расстоянии друг от друга.

Слабые силы межатомных (и межмолекулярных) взаимодействий получили название в честь своего первооткрывателя — голландского физика Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса. Существование этих сил доказывается многими явлениями в природе. К примеру, признаком действия вандерваальсовых сил является взаимодействие между молекулами газа, которое держит их вместе. Более простой пример — это сцепление частиц кольца Сатурна или способность гекконов лазить по абсолютно гладкой вертикальной поверхности.

Сложность лабораторного измерения вандерваальсовых сил заключается в том, что они действуют лишь в том случае, когда атомы находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга. Чтобы обойти эту проблему, французские физики решили использовать так называемые ридберговские атомы, у которых внешний электрон оболочки находится в возбуждённом состоянии. Как правило, такие атомы превышают размерами обычные на несколько порядков (до 10 в 6 степени раз по сравнению с тем же атомом в основном состоянии). Кроме того, они взаимодействуют с большей силой, а значит, их для измерения можно развести на большее расстояние.

В ходе эксперимента учёные направили два лазерных луча на два одинаковых ридберговских атома, что позволило удержать их на одном месте (с фиксированным расстоянием между ними). Затем они направили третий луч лазера на оба этих атома, который сгенерировал колебания атомов с определённой частотой. Измерив с предельной точностью частоту этих колебаний, исследователи смогли математически вычислить вандерваальсовы силы, действующие между двумя ридберговскими атомами.

Если говорить точнее, то физики измерили колебания атомов в основном и возбуждённом состоянии, при этом ключевой величиной в этих измерениях было расстояние между атомами в каждый конкретный момент времени. Если это расстояние было слишком маленьким, то возбуждённость одного атома была бы больше возбуждённости другого, а если слишком большим — то вандерваальсовы силы были бы слишком слабы, чтобы их было можно измерить.

Третий лазер в свою очередь играл роль оптического пинцета, при помощи которого можно было корректировать расстояние до тех пор, пока не будет достигнуты нужные результаты.

В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные описывают не только эксперимент, но и его значимость для других областей науки — например, квантовой физики. Они отмечают, что измерение вандерваальсовых сил также привело к колебаниям атомов, которые дошли до полностью когерентного состояния. Это значит, что эта методика также применима к созданию квантовых логических элементов, которые являются базовыми составляющими квантовых компьютеров.

Также по теме:
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле 
Атомы бора образовали тройную связь и вступили в элитный клуб 
Смоделирована химическая связь, которая может существовать только в космосе 
Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством