Науковці MIT вперше сфотографували окремі атоми під час їхньої взаємодії

Дослідницька група Массачусетського технологічного інституту під керівництвом професора Мартіна Цвірляйна досягла визначного прориву в квантовій фізиці, розробивши метод, який дозволяє безпосередньо спостерігати за квантовими явищами, що раніше існували лише в теорії. Результати їхнього дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters 5 травня.

«Ми можемо бачити окремі атоми в цих цікавих хмарах атомів і спостерігати за їхньою взаємодією, що є надзвичайно важливим досягненням», — зазначає Цвірляйн, професор фізики імені Томаса А. Франка в MIT.

Щоб оцінити масштаб цього досягнення, варто зазначити, що діаметр одного атома становить приблизно одну десяту нанометра — це приблизно одна мільйонна товщини людської волосини. На відміну від звичайних об'єктів, атоми підпорядковуються дивним законам квантової механіки, де неможливо одночасно точно визначити їхнє положення та швидкість.

Новий підхід команди MIT суттєво відрізняється від традиційних методів візуалізації атомів. Замість простого фіксування тіні атомної хмари, їхня техніка, названа «мікроскопією з атомною роздільною здатністю», спочатку утримує атоми в слабкій лазерній пастці, де вони можуть вільно рухатися. Потім дослідники вмикають світлову ґратку, яка миттєво заморожує атоми на місці, перед тим як освітити їх другим лазером. Отримана флуоресценція показує точне розташування кожного атома.

«Найскладнішим було зібрати світло від атомів, не виштовхуючи їх з оптичної ґратки», — пояснює Цвірляйн. «Можна уявити, що якби ви направили на ці атоми вогнемет, їм би це не сподобалося. Тому протягом років ми навчилися певних прийомів, як це робити».

Особлива цінність цього методу полягає в його здатності фіксувати атоми під час їхньої взаємодії. «Це вперше, коли ми робимо це in situ, де ми можемо раптово заморозити рух атомів, коли вони сильно взаємодіють, і бачити їх один за одним. Саме це робить цю техніку потужнішою за все, що було зроблено раніше», — каже Цвірляйн.

Дослідники застосували свою техніку візуалізації до двох різних типів атомів: бозонів (таких як атоми натрію) та ферміонів (таких як атоми літію). Ці класифікації частинок представляють фундаментальні поділи в квантовій фізиці — бозони природно притягуються, тоді як ферміони зазвичай відштовхуються.

При візуалізації бозонів натрію за дуже низьких температур команда зафіксувала візуальні докази «групування» — квантового ефекту, де бозони скупчуються разом, поділяючи той самий квантовий стан, формуючи те, що відоме як конденсат Бозе-Ейнштейна. Цей стан матерії приніс Вольфгангу Кеттерле з MIT частку Нобелівської премії з фізики 2001 року.

Ще важливіше те, що зображення виявляють хвильову природу цих частинок, що вперше було запропоновано фізиком Луї де Бройлем на початку розвитку квантової механіки. Ця дуальність хвилі-частинки є наріжним каменем нашого сучасного розуміння квантової фізики.

При дослідженні ферміонів літію науковці спостерігали інше передбачене, але ніколи раніше не бачене явище — спарювання ферміонів у вільному просторі. Вважається, що цей механізм спарювання є фундаментальним для надпровідності, де електрика тече без опору.

«Такий тип спарювання є основою математичної конструкції, яку люди придумали для пояснення експериментів. Але коли ви бачите такі зображення, вони показують на фотографії об'єкт, який був відкритий у математичному світі», — говорить співавтор дослідження Річард Флетчер, доцент фізики в MIT. «Це дуже гарне нагадування про те, що фізика стосується фізичних речей. Це реальність».

Дослідники планують використовувати свої нові можливості візуалізації для вивчення ще більш екзотичних квантових явищ, особливо в галузі квантової фізики Холла, де електрони демонструють нові корельовані поведінки в присутності магнітних полів.

Дослідження отримало підтримку від кількох організацій, включаючи Національний науковий фонд через Центр ультрахолодних атомів MIT-Harvard, Управління наукових досліджень ВПС, Управління армійських досліджень, Міністерство енергетики, Агентство передових оборонних дослідницьких проектів, стипендію факультету Ваннівара Буша та Фонд Девіда і Люсіль Паккард.