Вільні атоми, що переміщуються без обмежень, вперше були зафіксовані на камеру, що дозволяє фізикам ближче розглянути давно передбачувані квантові явища. Це трохи схоже на те, як зробити знімок рідкісного птаха у вашому саду після тривалого часу, коли ви чули лише повідомлення про них у цьому районі, і бачили, як їжі у вашій годівниці для птахів з кожним днем зменшується. Однак замість спостереження за птахами ми говоримо про квантову фізику.
Американські дослідники, які стояли за цим проривом, ретельно створили систему камер «атомно-роздільної мікроскопії», яка спочатку поміщає атоми в замкнену хмару, де вони вільно переміщуються. Потім лазерне світло заморожує атоми в потрібному положенні для їх запису. «Ми можемо бачити окремі атоми в цих цікавих хмарах атомів і те, що вони роблять стосовно один одного, і це чудово», — каже фізик Мартін Цвірляйн з Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Здатність фіксувати ці атоми під час їхньої взаємодії відкриває нові можливості для вивчення матерії на найменших масштабах, у квантовому світі, – і дослідники вже детальніше розглянули кілька рідкісних структур атомів. Ці закономірності включають стан, відомий як конденсація Бозе-Ейнштейна – що складається з бозонів і ферміонів, що утворюють пари. Все це доповнює наше розуміння того, як поводяться неймовірно крихітні атоми та як змінюється їхня поведінка.
Як ще один приклад, команда змогла безпосередньо отримати зображення «хвилі де Бройля», названої на честь французького фізика Луї де Бройля, в якій бозони групуються разом. Ця теорія частково відповідає за початок сучасної фізики. Хоча ці сценарії вивчалися раніше, тепер їх можна проаналізувати детальніше, що дає вченим можливість проводити вимірювання та спостереження, які раніше були неможливі – аж до окремих атомів.
«[Існуючі] методи дозволяють побачити загальну форму та структуру хмари атомів, але не самі окремі атоми», — каже Цвірляйн. «Це як побачити хмару в небі, але не окремі молекули води, з яких складається хмара».
Відстеження та моніторинг атомів неймовірно складний процес. Розмір цих частинок становить лише десяту частину нанометра – це приблизно мільйонна частина ширини людської волосини – саме тому потрібні ці складні установки для візуалізації.
Тепер, коли дослідники, що стоять за новим підходом, довели, що він може працювати, вони хочуть використовувати його для дослідження інших типів взаємодії та поведінки атомів. Особливий інтерес представляють найрідкісніші та найменш вивчені сценарії, серед яких квантова фізика Холла, де електрони мають незвичайну взаємодію з магнітними полями, є однією з найкращих.
«Коли ви бачите такі зображення, це зображує фотографію, об’єкт, який був відкритий у світі математики», — каже фізик з Массачусетського технологічного інституту Річард Флетчер. «Тож це дуже гарне нагадування про те, що фізика — це про фізичні речі. Це реально».
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.