Esmakordne Van der Waalsi jõu otsemõõtmine

Prantsuse Riikliku Teaduskeskuse teadlastel õnnestus esimestena kahe aatomi vahelise Van der Waalsi jõu otsemõõtmine. Teadusajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklis kirjeldab töörühm, et aatompaari hoiti kinni kahe laseriga, kolmanda laseriga mõõdeti osakeste vahel mõjuvat Van der Waalsi jõudu.

Aatompaari vaheline Van der Waalsi interaktsioon. a) Katses lõksustati vahemaaga R eraldatud aatomid eri laserkiirte fookusesse. b) Sõltuvalt kaugusest R võib kolmas, ergastav laserkiir aatompaari energeetilised põhiolekud (gg) kohereerida ning ergastada ühe aatomiga Rydbergi olekusse (vastavalt kas (gr) või (rg)) – või olekusse, milles on Rydbergi olekus mõlemad aatomid (rr). Kahe aatomiga Rydbergi olek on suuresti Van der Waalsi jõust mõjutatud, nagu graafikul UvdW funktsioonist näha. Funktsioon põhjustab R-ist sõltuva aatompaari koherentse ergastusoleku dünaamika. c) Analüüsides aatompaari koherentse energeetilise oleku ajalist kulgu võib järeldada, et Van der Waalsi jõud muutub funktsioonina Rydbergi olekute ergastustasemest.

Aatomite, molekulide ning ainepindade vahel mõjuvate, kas tõukuvate või tõmbuvate dipooljõudude summat nimetatakse koondavalt Van der Waalsi jõuks. See sai nime avastaja Johannes Diderick van der Waalsi järgi (loe siit). Nimetatud jõud, mis avaldab mõju vaid lühikestel, aatomi suurusjärgu kaugustel, avaldub inimesele adutavalt vaid materjalide makroomadustena. Näiteks hoiab Van der Waalsi jõud koos gaasimolekule. On avastatud, et gekosisalikud suudavad ronida väga siledatel püstpindadel tänu Van der Waalsi jõule. Et Van der Waalsi jõud mõjub vaid lühikestel vahemaadel, ei ole seda varem suudetud otseselt mõõta.

Töörühm kasutas katsetes Rydbergi aatomeid, millel on vähemalt üks kõrgelt ergastunud elektron ning suur kvantarv n. Nende omaduste tõttu on Rydbergi aatomite vahel tugev Van der Waalsi jõud, mille potentsiaal ulatub kaugemale kui väiksematel aatomitel.

Katseaatomid hoiti paigal kahe laserkiirega. Kolmanda laseriga põhjustati aatompaaris ergastus ning sellega kaasnev elektronkatte relaksatsioonvõnkumine. Ergastusjärgsete võnkeamplituudide mõõtmisel õnnestuski matemaatiliste meetoditega aatomite vaheline Van der Waalsi jõud välja arvutada.

Katses mõõdeti aatomi ergastatuse energeetilisi maksimume, ehk võnkumise minimaalset ning maksimaalset eletronnivood. Osutus, et kaht aatomit eraldav kaugus oli võnkeprotsessile määrav muutuja. Liig lähestikku asuvad aatomid summutavad teineteise võnkumise. Seevastu liiga pikas eraldatuses oleks aatomite vaheline jõud mõõtmiseks liiga nõrk. Kolmandat laserit kasutati optilise näpitsana, millega peenhäälestati aatompaari vahekaugust.

Allikas: Phys.org