Физики представили первые в истории изображения свободно движущихся атомов
Атомы, движущиеся в свободном пространстве без каких-либо ограничений, были впервые запечатлены на камеру, что позволило физикам более внимательно изучить давно предсказанные квантовые явления. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Американские исследователи тщательно сконструировали систему камер «атомно-разрешенной микроскопии», которая сначала помещает атомы в замкнутое облако, где они свободно перемещаются, а затем лазерный свет замораживает атомы в положении, позволяющем записать их.
«Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках атомов и то, как они взаимодействуют друг с другом, и это прекрасно», — говорит физик Мартин Цвирлейн из Массачусетского технологического института (MIT).
Возможность зафиксировать эти атомы во время их взаимодействия открывает новые горизонты для изучения материи на квантовом уровне в чрезвычайно малых масштабах. Уже сейчас ученые детально исследуют ряд редких конфигураций атомов.
Среди них — состояние, называемое конденсатом Бозе — Эйнштейна, в котором бозоны и фермионы объединяются в пары. Эти наблюдения позволяют глубже понять, как ведут себя крошечные атомы и как меняется их поведение.
Еще одним примером стало получение прямого изображения так называемой «волны де Бройля», названной в честь французского физика Луи де Бройля. В этом состоянии бозоны склонны собираться в группы. Эта теория отчасти лежит в основе современной физики.
Хотя эти сценарии изучались и раньше, теперь у ученых есть возможность проводить более точные измерения и наблюдать их на уровне отдельных атомов — то, что ранее оставалось за пределами технологических возможностей.
«Существующие методы позволяют увидеть общую форму и структуру облака атомов, но не сами атомы, — говорит Цвирлайн. — Это как видеть облако в небе, но не отдельные молекулы воды, из которых оно состоит».
Контроль и отслеживание атомов — чрезвычайно сложная задача. Их размеры составляют около одной десятой нанометра, что примерно в миллион раз тоньше человеческого волоса. Именно поэтому для таких наблюдений необходимы крайне чувствительные и сложные системы визуализации.
Теперь, после успешной демонстрации эффективности метода, исследователи планируют применять его для изучения других форм взаимодействия между атомами. Особенно интересны крайне редкие и до сих пор малоизученные явления, включая квантовую физику Холла, при которой электроны проявляют необычную реакцию на магнитные поля.
«Когда вы видите такие фотографии, вы видите объект, который был открыт в мире математики, — говорит физик из Массачусетского технологического института Ричард Флетчер. — Это очень хорошее напоминание о том, что физика — это физические вещи. Это реальность».
