Впервые физики поймали отдельные атомы и наблюдали за их слиянием

Москва, 09:44, 21 Фев 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Чтобы понять, как атомы объединяются в молекулы, нам нужно поймать их в действии. Но чтобы сделать это, физики должны заставить атомы остановиться на достаточно долгое время, чтобы их слияние было записано. Это нелегкая задача, и физики из Университета Отаго только недавно выполнили эту задачу.

До сих пор физикам, желающим понять тонкости различных взаимодействий атомов, приходилось проводить вычисление корреляций на основе средних значений среди толпы атомов, которая была охлаждена до такой степени, что все они становились идентичными.

Эта версия атомной технологии предоставляет множество полезных идей, но не может уловить ключевые детали 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.

Описание эксперимента

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

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 разделить в пустом пространстве.

Это звучит легко, но это процесс, который требует правильной технологии и большого терпения для достижения результата.

«Наш метод включает в себя индивидуальное улавливание и охлаждение трех атомов до температуры около одной миллионной Кельвина с использованием высокофокусированных лазерных лучей в гипервакуумированной 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 разновидностью рубидия, которые связываются, образуя молекулы дирубидия, но только двух атомов оказалось недостаточно для достижения этого.

«Два атома не могут образовать молекулу, для химии требуется не менее трех», — поясняют ученые.

Сложности эксперимента

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. Но еще сложнее учесть действия третьего атома.

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.

Научные результаты

Используя специальную камеру для регистрации изменений, физики запечатлели 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 собирались вовсе не так быстро, как могли бы объяснить существующие модели.

Кое-что из теории об ограничении атомов и квантовых эффектах ближнего действия может помочь объяснить эту медлительность, но этот неожиданный факт означает, что с помощью этого процесса можно исследовать многие аспекты физики.

«Наша работа — первый раз, когда этот базовый процесс изучался изолированно, и оказалось, что он дал несколько удивительных результатов, которые не ожидались от предыдущих измерений в больших облаках атомов», — сообщили ученые.

«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 современных 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 строительства 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.