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.
«Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках и то, как они взаимодействуют друг с другом — и это прекрасно», — рад профессор физики MIT Мартин Цвирляйн.
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.
«Эти методы позволяют увидеть общую форму и структуру облака атомов, но не отдельные атомы, — поясняет Цвирляйн. — Это как увидеть облако в небе, но не отдельные молекулы воды, из которых оно состоит».
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.
«Самым сложным было собрать свет от атомов, не разрушив их в оптической решетке, — признается Цвирляйн. — Можно представить, что если направить на них огнемет — им это не понравится. Так что за эти годы мы научились некоторым трюкам, как это сделать. И впервые делаем это in situ, когда можно внезапно заморозить движение атомов, когда они сильно взаимодействуют, и увидеть их один за другим. Вот что делает эту технику более мощной, чем все использовавшееся ранее».
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.
«Благодаря этой волновой природе мы понимаем мир гораздо глубже. Но наблюдать эти квантовые волновые эффекты крайне сложно. А с нашим новым микроскопом мы можем видеть эту волну напрямую», — продолжает профессор.
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.
«Такое спаривание лежит в основе математических моделей, созданных для объяснения экспериментов. Но когда ты видишь такие изображения — это словно фотография объекта, который раньше существовал только в математическом мире, — говорит соавтор исследования Ричард Флетчер. — Хорошее напоминание, что физика — это про реальные вещи, а не абстракция».
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.
«Вот где теория становится действительно сложной — когда люди начинают рисовать картинки вместо того, чтобы написать полноценную теорию, потому что не могут полностью решить ее. Теперь можно будет проверить, реальны ли эти рисунки квантовых состояний Холла на самом деле — потому что это довольно странные состояния», — заключил Цвирляйн.