Фізики Массачусетського технологічного інституту отримали перші зображення окремих атомів, які вільно взаємодіють у просторі. Так звані частинки «вільного пробігу» були передбачені, але ніколи досі не спостерігалися. Їхні висновки, які були опубліковані в журналі Physical Review Letters, допоможуть вченим візуалізувати ніколи раніше не бачені квантові явища в реальному просторі.
Зображення були зроблені з використанням розробленої командою методики, яка спочатку дозволяє хмарі атомів вільно переміщатися та взаємодіяти. Потім дослідники включають решітку світла, яка на короткий час заморожує атоми на їх шляху, і застосовують тонко налаштовані лазери, щоб швидко висвітлити підвішені атоми, створюючи картину положення до того, як атоми природним чином розсіються.
Фізики застосували цю методику для візуалізації хмар різних типів атомів і зробили низку перших знімків. Дослідники безпосередньо спостерігали атоми, відомі як «бозони», які накопичувалися у квантовому явищі, утворюючи хвилю. Вони також захопили атоми, відомі як «ферміони», у процесі об'єднання у пари у вільному просторі – ключовий механізм, який забезпечує надпровідність.
«Ми можемо бачити окремі атоми в цих цікавих хмарах атомів і те, що вони роблять один до одного, що чудово», — каже Мартін Цвірляйн, професор фізики Томаса А. Франка у Массачусетському технологічному інституті.
У тому ж випуску дві інші групи повідомляють про використання аналогічних методів візуалізації, включаючи команду під керівництвом лауреата Нобелівської премії Вольфганга Кеттерле, професора фізики Джона Д. Макартура у Массачусетському технологічному інституті. Група Кеттерле візуалізувала покращені парні кореляції між бозонами, тоді як інша група з École Normale Supérieure в Парижі під керівництвом Таріка Йєфсаха візуалізувала хмару ферміонів, що не взаємодіють.
Дослідження Цвірляйна та його колег проведено у співавторстві з аспірантами Массачусетського технологічного інституту Жуйсяо Яо, Сунчже Чі та Мінсюань Ваном, а також доцентом кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту Річардом Флетчером.
Всередині хмари
Окремий атом має діаметр близько однієї десятої нанометра, що становить одну мільйонну товщини пасма людського волосся. На відміну від волосся, атоми поводяться та взаємодіють відповідно до правил квантової механіки; саме їхня квантова природа ускладнює розуміння атомів. Наприклад, ми не можемо одночасно точно знати, де знаходиться атом і як швидко він рухається.
Вчені можуть застосовувати різні методи для отримання зображень окремих атомів, включаючи абсорбційну візуалізацію, коли лазерне світло висвітлює хмару атомів і відкидає тінь на екран камери.
"Ці методи дозволяють вам бачити загальну форму та структуру хмари атомів, але не самі окремі атоми", - зазначає Цвірляйн. "Це як бачити хмару в небі, але не окремі молекули води, з яких вона складається".
Він та його колеги використовували зовсім інший підхід, щоб безпосередньо візуалізувати атоми, що взаємодіють у вільному просторі. Їх метод, званий «атомно-дозвільною мікроскопією», включає спочатку загін хмари атомів у вільну пастку, утворену лазерним променем. Ця пастка утримує атоми в одному місці, де вони можуть вільно взаємодіяти. Потім дослідники включають ґрати світла, які заморожують атоми в їхніх положеннях. Потім другий лазер висвітлює підвішені атоми, флуоресценція яких виявляє їх індивідуальні положення.
«Найскладнішим було зібрати світло від атомів, не випаровуючи їх з оптичних ґрат», — каже Цвірляйн. «Можете собі уявити, якби ви піднесли до цих атомів вогнемет, їм це не сподобалося б. Тож за ці роки ми навчилися кількох трюків, як це зробити. І це вперше, коли ми робимо це in situ, де ми можемо раптово заморозити рух атомів, коли вони сильно взаємодіють, і побачити їх один за одним. Ось що робить цей метод сильнішим, ніж те, що використовувалося раніше».
Згустки та пари
Команда застосувала техніку візуалізації для безпосереднього спостереження взаємодії як бозонів, так і ферміонів. Фотони є типом бозона, тоді як електрони є типом ферміона. Атоми можуть бути бозонами або ферміонами залежно від їхнього загального спіна, який визначається тим, чи є загальна кількість їх протонів, нейтронів та електронів парним або непарним. Загалом бозони притягуються, тоді як ферміони відштовхуються.
Цвірляйн та його колеги вперше отримали зображення хмари бозонів, що складається з атомів натрію. При низьких температурах хмара бозонів утворює те, що відоме як конденсат Бозе-Ейнштейна - стан матерії, в якому всі бозони поділяють один і той же квантовий стан. Кеттерле з Массачусетського технологічного інституту був одним із перших, хто створив конденсат Бозе-Ейнштейна з атомів натрію, за що він отримав Нобелівську премію з фізики 2001 року.
Група Цвірляйна тепер може візуалізувати окремі атоми натрію всередині хмари, щоб спостерігати їх квантові взаємодії. Давно передбачалося, що бозони повинні «групуватися» разом, маючи підвищену ймовірність бути поруч один з одним. Це угруповання є прямим наслідком їхньої здатності розділяти ту саму квантово-механічну хвилю. Цей хвилеподібний характер був вперше пророкований фізиком Луї де Бройлем. Саме гіпотеза «хвилі де Бройля» частково започаткувала сучасну квантову механіку.
"Ми розуміємо набагато більше про світ завдяки цій хвилеподібній природі", - говорить Цвірляйн. «Але спостерігати ці квантові, хвилеподібні ефекти справді складно. Однак у новому мікроскопі ми можемо візуалізувати цю хвилю напряму».
У своїх експериментах із візуалізації команда MIT змогла вперше побачити in situ, як бозони групуються разом, оскільки вони поділяють одну квантову, корельовану хвилю де Бройля. Команда також візуалізувала хмару із двох типів атомів літію. Кожен тип атома - це ферміон, який природним чином відштовхує свій власний тип, але може сильно взаємодіяти з іншими конкретними типами ферміонів. Коли вони візуалізували хмару, дослідники помітили, що справді протилежні типи ферміонів взаємодіяли та утворювали пари ферміонів — зв'язок, який вони могли безпосередньо побачити вперше.
«Такий тип спарювання є основою математичної конструкції, яку люди вигадали для пояснення експериментів. Але коли ви бачите такі зображення, це показує на фотографії об'єкт, який був виявлений у математичному світі», — каже співавтор дослідження Річард Флетчер. «Отже, це дуже гарне нагадування про те, що фізика — це фізичні речі. Вона є реальною».
Надалі команда буде застосовувати свою техніку візуалізації для візуалізації більш екзотичних і менш зрозумілих явищ, таких як «квантова фізика Холла» — ситуацій, коли електрони, що взаємодіють, демонструють нову корельовану поведінку в присутності магнітного поля.
«Ось де теорія стає справді складною — коли люди починають малювати картинки замість того, щоб записати повноцінну теорію, тому що вони не можуть її повністю вирішити», — каже Цвірляйн. «Тепер ми можемо перевірити, чи ці картинки квантових станів Холла є насправді реальними. Тому що це досить дивні стани».
