Ученые впервые получили изображения отдельных атомов в процессе их свободного взаимодействия. Метод визуализации, описанный в Physical Review Letters, позволяет напрямую наблюдать квантовые корреляции между частицами, которые ранее были лишь теоретически предсказаны.
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технику «атомно-разрешенной микроскопии». Они создают облако атомов, которым позволяют свободно перемещаться и взаимодействовать. Затем ученые «замораживают» атомы в их текущих положениях и с помощью лазеров фиксируют точное расположение частиц до того, как они естественным образом рассеются.
Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках атомов и то, как они взаимодействуют друг с другом, и это прекрасно.
Мартин Цвирляйн, профессор MIT, соавтор исследования
Физики наблюдали, как атомы натрия, являющиеся бозонами, собираются в конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, в котором частицы разделяют одно и то же квантовое состояние. Давно предсказывалось, что бозоны должны «группироваться» вместе. Эта группировка является следствием их способности разделять одну квантово-механическую волну. Этот волнообразный характер был впервые предсказан физиком Луи де Бройлем.
Иллюстрация метода (сверху): блуждающие атомы в атомной ловушке (красный) внезапно замораживаются на месте с помощью примененной оптической решетки. Результаты визуализации (снизу): бозонный конденсат Бозе-Эйнштейна, одно спиновое состояние в слабовзаимодействующей смеси Ферми и оба спиновых состояния сильновзаимодействующей смеси Ферми. Изображение: Image courtesy of the researchers, MIT
В другом эксперименте ученые визуализировали облако из двух типов атомов лития. Каждый тип атома является фермионом, который, как предсказывали теории, отталкивает свой вид, но может сильно взаимодействовать с другими типами фермионов.
Наблюдения позволили впервые наблюдать, как атомы образуют пары. Это явление лежит в основе сверхпроводимости — процесса, когда электрический ток может протекать без сопротивления.
Диаметр одного атома составляет около одной десятой нанометра — примерно в миллион раз меньше толщины человеческого волоса. Классические методы визуализации, позволяют увидеть лишь общую форму облака атомов, но не отдельные частицы.
В дальнейшем команда планирует использовать свою технику для визуализации более экзотических и менее изученных квантовых явлений, таких как «квантовая физика Холла», когда взаимодействующие электроны демонстрируют новое коррелированное поведение в присутствии магнитного поля.
