Тази снимка на единичен атом се превърна в истинско научно чудо

Преди пет години един учен успя да направи това, което никой друг не е правил досега: да заснеме един-единствен атом. Това спиращо дъха изображение спечели голямата награда за научна фотография, организирана от Съвета за научни изследвания в областта на инженерните и физическите науки (Великобритания). Как се отрази този пробив на науката?

Какво са атомите?

Атомите се състоят от ядро, съставено от протони и неутрони, и електрони, които обикалят около ядрото. Да си припомним, че протоните имат положителен заряд, електроните – отрицателен, а неутроните са без заряд.

Атомите се класифицират според броя на протоните, който определя техния химичен елемент. Съществуват повече от сто различни химични елемента, като се започне от най-простия – водорода, и се стигне до най-сложния – оганесона. Тези елементи могат да се комбинират, за да образуват молекули. С други думи, атомите са основните единици на материята. Те изграждат всичко, което виждаме – от въздуха, който дишаме, до най-големите галактики във Вселената. Ето защо изучаването им е толкова важно.

Но тази работа е особено трудна, тъй като атомите са изключително малки – само няколко десети от нанометъра в диаметър (нанометърът е една милиардна част от метъра). Физиците използват електромагнитни полета със специална форма, за да ги манипулират. Дълго време обаче изследователите ги анализираха на пакети, поради което тази невероятна снимка на физика Дейвид Надлингер, направена в рамките на изследванията му в областта на квантовата физика в Оксфордския университет, предизвиква огромен интерес. На снимката е заснет единичен стронциев атом.

Истински технически подвиг

За да се направи тази снимка, атомът първо е охладен до много ниска температура с помощта на лазер, а след това е уловен от магнитни полета, които го задържат на едно място. След това е използвана единична йонна камера за осветяване на атома с лъч от йони, за да стане видим. На снимката той изглежда като малка яркосиня точка, задържана във вакуум между два електрода.

Трябва да се отбележи, че снимката е направена в черно-бял цвят. След това е оцветена, за да се подчертае по-добре стронциевият атом. Освен това на снимката не е показано директно ядрото на атома. Това е така, защото само електроните, които са в бързо движение около ядрото, могат да взаимодействат със светлината и да създадат видимо изображение. Следователно снимката показва облака от електрони около ядрото, но не и самото ядро.

Стронтиевият атом се удържа в електрическото поле между два електрода, разположени на разстояние по-малко от 2 милиметра един от друг.

Защо е избран именно стронция?

Физикът е избрал стронция по няколко причини. На първо място, той е сравнително широко разпространен елемент в природата, което го прави практичен избор за експерименти в областта на квантовата физика. Второ, стронцият е елемент, който е подходящ за експерименти с охлаждането, което е необходимо за улавянето на един атом. Охлаждането забавя движението на атома и го задържа на едно място.

И накрая, стронцият е интересен елемент за изследвания в областта на квантовата физика, тъй като има няколко изотопа, т.е. различни форми на елемента с различен брой неутрони. Това дава възможност на физиците да провеждат сравнителни експерименти за изучаване на квантовите свойства на всяка конфигурация.

Какви са ползите за науката?

След публикуването, тази снимка спечели конкурса за научна фотография на EPSRC и признанието бе напълно заслужено. Физиците отдавна търсят начини за манипулиране на отделните атоми, за да ги изучават и използват в области, като например квантовите компютри (вид компютри, базирани на принципите на квантовата механика, които дават възможност за извършване на изчисления много по-бързо от съвременните класически компютри). Така фотографията се превърна в доказателство, че подобно манипулиране вече е възможно.

Снимката бе високо оценена и за невероятната ѝ способност да улови красотата на науката и да „придаде лице“ на квантовата физика. Оттогава насам тази фотография стана известна по целия свят и породи възхищение от тази особено странна и предизвикателна научна област. Оттогава е постигнат значителен напредък в манипулирането и контролирането на отделните атоми с  нови все по-прецизни експерименти.

Един от тези експерименти бе образуването на молекули чрез тунелен ефект – тоест, химична реакция протичаща чрез тунелиране. Тунелните реакции играят основна роля в химията, когато класическите пътища са енергийно „забранени“. Това наблюдение може перфектно да бъде теоретично описано. Това е най-бавната реакция със заредени частици, наблюдавана някога.

Тунелният ефект е следствие от вълновата природа на материята. Това е квантовомеханично явление, при което обект, например електрон или атом, успява да премине бариерата от потенциална енергия, когато според класическата механика неговата енергия е по-малка от необходимия минимум. Тунелните реакции в химията са много трудни за теоретично изчисляване поради високата размерност на квантовата динамика.

Тунелният ефект играе важна роля в някои макроскопични физични явления, като например ядрения синтез, при който се увеличава вероятността атомните ядра да преодолеят Кулоновата бариера и по този начин да се съединят, както и при алфа-радиоактивния разпад на атомните ядра. Именно изследването на радиоактивността води до откриването на тунелния ефект: първото му приложение през 1928 г. е математическото обяснение на алфа разпада.