За първи път: Физици от MIT заснеха отделни атоми в свободно квантово движение

Физици от Масачузетския технологичен институт (MIT) за първи път в историята са заснели отделни атоми, които свободно взаимодействат помежду си в пространството. Тези уникални изображения потвърдиха теоретично предсказаните, но никога досега не наблюдавани квантови ефекти. Откритието е публикувано в списание Physical Review Letters и отваря пътя към визуалното изучаване на сложни квантови явления, които досега са били скрити от очите на учените.

За да получи тези изображения, екипът разработва специална техника: атомите първо се движат свободно в облак, след това движението им се „замразява“ за кратко с помощта на оптична решетка – структура от светлина, а после към тях се насочват прецизно настроени лазери, които осветяват частиците, фиксирайки тяхното положение. Всичко това се случва за част от секундата, преди атомите отново да изчезнат от полезрението.

За първи път са заснети изображения на бозони и фермиони – двата основни класа частици.

Бозоните, също като фотоните могат да се групират в едно квантово състояние и да образуват вълни. За разлика от тях фермионите, към които спадат електроните, се отблъскват, но при определени условия могат да образуват двойки – ключов механизъм на свръхпроводимостта. Изследователите успяха да видят как фермионите образуват такива двойки директно в свободното пространство – не в кристална решетка и не в твърдо тяло, а „на живо“.

Според Мартин Цвирлейн, професор по физика в Масачузетския технологичен институт, за първи път е било възможно не само да се наблюдават отделни атоми, но и да се види как се държат един спрямо друг, което според него е наистина красиво. Екипът му работи по този проект със студенти и преподаватели от MIT, като използва разработен от тях метод за микроскопия, който разрешава проблема до отделния атом. Той създава мек „капан“ от лазерен лъч, в който атомите могат да се движат свободно, и след това мигновено ги „замразява“, позволявайки да се запишат взаимодействията им.

Предизвикателството беше да се осветят атомите, без да се разруши тяхното състояние.

Атомите, намиращи се под силното въздействие на светлината, могат просто да се „сварят“ – да изчезнат от наблюдаваната система. Затова учените дълго време усъвършенстваха техниката: как да осветят, но да не разрушат. В резултат на това те успели да фиксират позицията на всяка частица, все едно че снимат водни капки в облак, които преди това можели да се видят само като размазана маса.

Наред с други неща, екипът изследвал бозони от натриеви атоми и видял как те се „струпват“ – т.е. групират се заедно, точно както прогнозирали учените. Това е така, защото такива частици могат да съществуват в едно и също квантово състояние, образувайки единна вълнова структура. Това вълново поведение е още едно потвърждение на хипотезата на Луи дьо Бройл, която става основа на квантовата механика. Досега подобни ефекти можеха да бъдат само математически изчислени, но сега те бяха наблюдавани.

Също така бяха изследвани облаци от литиеви атоми, в които две разновидности на фермионите си взаимодействаха и образуваха двойки. Тези сдвоени състояния учените досега само теоретично са моделирали – сега те са фиксирани на снимка.

Според един от съавторите на изследването, Ричард Флетчър, това е рядък случай, в който математически конструкции на квантовата физика се материализират на снимка. В бъдеще екипът планира да използва технологията си за изучаване на по-екзотични явления, като например квантовия ефект на Хол – състояния, които се описват по-скоро на ниво „карикатури“ в учебниците, отколкото с точни формули.

Сега науката разполага с инструмент, който може да покаже как тези странни състояния наистина съществуват.