Впервые физики увидели отдельные атомы и их слияние

Чтобы понять, как атомы объединяются в молекулы, нам нужно поймать их в действии. Но чтобы сделать это, физики должны заставить атомы остановиться на достаточно длительный срок, чтобы их взаимодействие было записано.

Это нелегкая задача, но ее удалось выполнить физикам из Университета Отаго.

До сих пор лучшим способом понять тонкости различных взаимодействий атомов, было вычисление корреляций на основе средних значений среди скопления частиц.

Эта краудсорсинговая версия атомной технологии предоставляет множество полезной науки, но не может уловить ключевые детали столкновения и измельчения столкновений между отдельными частицами, которые вызывают рассеяние и слияние других.

Даже если вам удастся захватить несколько атомов в одном пространстве, каждое столкновение может привести к тому, что атомы выйдут из вашего эксперимента.

Один из способов анализа таких столкновений состоит в том, чтобы захватить изолированные атомы эквивалентом крошечной пары пинцетов, удерживать их неподвижно и записывать изменения по мере их поступления.

К счастью, такая пара пинцетов существует. Сделанные из специально выровненного поляризованного света, эти лазерные щипцы могут действовать как оптические ловушки для крошечных объектов.

Учитывая достаточно короткие световые волны, у экспериментатора есть хорошие шансы поймать что-то столь же крошечное, как отдельный атом. Конечно, сначала нужно охладить атомы, чтобы их было легче поймать, а затем выделить на пустом пространстве.

Это звучит легко. Но процесс, требует правильной технологии и большого терпения для достижения.

«Наш метод включает в себя индивидуальное улавливание и охлаждение трех атомов до температуры около одной миллионной Кельвина с использованием высокофокусированных лазерных лучей в гипервакуумированной (вакуумной) камере размером с тостер», — говорит физик Миккель Ф. Андерсен.

«Мы медленно объединяем ловушки, содержащие атомы, чтобы производить контролируемые взаимодействия, которые мы измеряем».

В этом случае все атомы были разновидностями рубидия, которые связываются, образуя молекулы дирубидия, но только двух атомов недостаточно для достижения этого.

«Два атома не могут образовать молекулу, для химии требуется не менее трех», — говорит физик Марвин Вейланд.

Моделирование того, как это происходит, является реальной проблемой. Ясно, что два атома должны подойти достаточно близко, чтобы они могли образовать связь, в то время как третий отнимает часть этой энергии связи, чтобы оставить их связанными.

Выработать математику того, как всего два атома встречаются, чтобы построить молекулу, достаточно сложно. Принятие во внимание всех действий может быть кошмаром.

Теоретически рекомбинация трех тел между атомами должна вынудить их покинуть ловушку, что обычно добавляет еще одну проблему для физиков, пытающихся изучать взаимодействия между несколькими атомами.

Используя специальную камеру для наблюдения изменений, команда запечатлела момент, когда частицы рубидия приблизились друг к другу, и обнаружила, что скорость потерь была не такой высокой, как ожидалось.

В действительности это также означает, что молекулы не собирались так быстро, как могли бы объяснить существующие модели.

Кое-что об ограничении атомов и квантовых эффектах ближнего действия может помочь объяснить эту медлительность, но тот факт, что это неожиданно, означает, что с помощью этого процесса можно исследовать много физики.

«С развитием этот метод может обеспечить способ создания и контроля отдельных молекул определенных химических веществ».

Дальнейшие эксперименты помогут уточнить эти модели, чтобы лучше объяснить, как группы атомов работают вместе, чтобы встречаться и связываться в различных условиях.

В мире постоянно совершенствующихся технологий нетрудно представить потребность в процессах, в которых микроскопические схемы и передовые лекарства строятся атом за атомом, по одному соединению за раз.

«Наше исследование пытается проложить путь к возможности строить в очень малом масштабе, а именно в атомном масштабе, и я очень рад видеть, как наши открытия повлияют на технологический прогресс в будущем», — говорит Андерсен.

Это исследование было опубликовано в Physical Review Letters.

Источники: Фото: University of Otago