Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые получили изображения отдельных атомов, свободно взаимодействующих в пространстве. Снимки показывают корреляции между этими «свободными» частицами, которые раньше лишь предсказывались, но никогда не наблюдались напрямую. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, помогут ученым визуализировать ранее недоступные квантовые явления в реальном пространстве.
Для этого была разработана методика, которая сначала позволяет облаку атомов свободно двигаться и взаимодействовать, а затем световая решетка на мгновение «замораживает» атомы, и их подсвечивают точно настроенными лазерами — до того, как они рассеиваются.
Эту технику применили для визуализации облаков различных типов атомов и впервые запечатлели несколько ключевых явлений. Физики напрямую наблюдали, как атомы-бозоны группируются, образуя квантовую волну, а также зафиксировали момент, когда атомы-фермионы объединяются в пары в свободном пространстве — ключевой механизм, лежащий в основе сверхпроводимости.
Размер одного атома составляет около одной десятой нанометра — в миллион раз меньше толщины человеческого волоса. В отличие от волос, атомы ведут себя и взаимодействуют согласно законам квантовой механики, и именно квантовая природа делает их столь сложными для изучения. Например, невозможно одновременно точно определить положение атома и его скорость.
Ученые используют различные методы для визуализации отдельных атомов, включая абсорбционную визуализацию, когда лазерный луч освещает облако атомов, и его тень проецируется на экран камеры.
Он и его коллеги применили принципиально иной подход, чтобы напрямую запечатлеть взаимодействие атомов в свободном пространстве. Метод атомно-разрешающей микроскопии предполагает сначала удержание облака атомов в ловушке, созданной лазерным лучом, где они могут свободно взаимодействовать. Затем включается световая решетка, фиксирующая атомы в их позициях, после чего второй лазер подсвечивает их, и флуоресценция выявляет их индивидуальное расположение.
Таким способом ученые наблюдали взаимодействия как среди бозонов, так и среди фермионов. Пример бозона — фотон, а электроны — это фермионы. Атомы также могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их общего спина, который определяется четностью суммы протонов, нейтронов и электронов. В общем и целом, бозоны притягиваются, а фермионы отталкиваются.
Сначала сняли облако бозонов, состоящих из атомов натрия. При низких температурах такое облако образует конденсат Бозе — Эйнштейна — состояние материи, в котором все бозоны находятся в одном и том же квантовом состоянии. Вольфганг Кеттерле из MIT был одним из первых, кто создал конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов натрия, за что получил Нобелевскую премию по физике в 2001 году.
Теперь группа Цвирляйна смогла снять отдельные атомы натрия в облаке и наблюдать их квантовые взаимодействия. Долгое время предполагалось, что бозоны должны «группироваться», увеличивая вероятность находиться рядом друг с другом. Эта группировка — следствие их способности разделять одну квантовую волну, что предсказано физиком Луи де Бройлем и стало одной из основ современной квантовой механики.
В своих экспериментах ученые впервые in situ увидели, как бозоны группируются, разделяя одну коррелированную волну де Бройля. Затем ученые сняли облако из двух типов атомов лития, каждый из которых относится к фермионам. Фермионы естественным образом отталкивают себе подобных, но могут сильно взаимодействовать с другими типами фермионов, образуя с ними пары. На снимках зафиксировано формирование таких пар — и тоже впервые.
В дальнейшем методику планируется применить для визуализации более экзотических и малоизученных явлений, таких как «квантовый эффект Холла» — ситуации, когда взаимодействующие электроны демонстрируют необычное коррелированное поведение в магнитном поле.
.webp)
