Впервые учёные смогли разглядеть отдельные атомы

Если Вы соберете газ в сосуд и постараетесь сделать снимок отдельных атомов с помощью мощнейших микроскопов, то увидите лишь размытое туманное пятно. Атомы при комнатной температуре двигаются с огромной скоростью и невозможно различить их по отдельности.

Однако, если охладить атомы до температуры близкой к абсолютному нулю, они начнут двигаться с такой черепашьей скоростью, что станет возможно их рассмотреть. Учёным необходимо увидеть, как ведут себя атомы в сверхтекучих жидкостях, сверхпроводниках или квантовых магнитах.

Физики Массачусетского технологического института (MIT) охладили газ из атомов калия до температуры нескольких нK (10-9К). Далее, исследователи смогли поймать отдельные атомы в двухмерную решетку, образованную пересекающимися лучами лазеров. С помощью микроскопа с сверхвысоким разрешением были сделаны снимки охлажденных атомов.

Изучив корреляции позиций атомов в сотнях снимков, учёные распознали отдельные атомы и способы их взаимодействия друг с другом, в зависимости от их положения в пространственной решётке. Часть из них предпочитает одиночный образ жизни и сторонится соседей. Другие собираются кучками с чередующейся магнитной ориентацией. Есть такие, которые объединяются в пары, разделённые пустотами.

Команда физиков надеется, что открытие сможет пролить свет на поведение атомов в таких материалах как сверхпроводники. Сверхпроводники – материалы, в которых электроны движутся без сопротивления, что означает нулевые потери энергии во время их путешествия. В случае создания сверхпроводников, существующих при комнатной температуре (на самом деле для таких материалов и 0С будет невероятным достижением), откроется новая эра экономичности и эффективности для любых устройств зависящих от электрического тока.

Martin Zwierlein, профессор физики MIT, считает, что полученные им результаты помогут учёным определить идеальные условия для получения эффекта сверхпроводимости.

Атомы как модель электронов

Сегодня, абсолютно невозможно смоделировать высокотемпературные сверхпроводники, поскольку не существует такого компьютера, который смог бы просчитать взаимодействие электронов. Martin Zwierlein предлагает модель, использующую поведение атомов газа, как замену поведению электронов в твёрдом сверхпроводнике.

Основа подобной модели базируется на нескольких постулатах. Сначала, в 1925 году физик Вольфганг Паули сформулировал принцип, носящий сегодня его имя. Принцип запрета Паули (в применении к данной ситуации) гласит: два электрона не могут находится в одном квантовом состоянии (с одинаковым спином или позицией) в одно время. Благодаря его вкладу получили объяснения отличия в свойствах химических элементов, обусловленные различными конфигурациями электронных оболочек.

Вслед за этим, Энрико Ферми распространил этот принцип не только на электроны, но и на атомы газа: охлажденные до температуры около нуля атомы газа, принимают наименьшие из своих возможных квантовых состояний (речь идёт о конденсате Бозе – Эйнштейна).

Далее физик Джон Хаббард объединил все эти выкладки в модели получившей название Бозе – Ферми – Хаббарда. В наше время эта модель пытается объяснить основы сверхпроводимости. И пока учёные пытаются использовать эту модель для объяснения сверхпроводящих электронов, модель накладывает жесткие ограничения на эксперименты в этой области. В реальности (как сказано выше) эта модель работает только для слабо взаимодействующих электронов.

По этой причине учёные не могут смоделировать высокотемпературные сверхпроводники. Также пока нет ни малейшей возможности увидеть в микроскоп отдельный электрон.

Команда учёных разрабатывала эксперимент по реализации модели Ферми-Хаббарда на основе отдельных атомов. Предположительно, охлаждённые до температуры близкой к абсолютному нулю, атомы должны вести себя аналогично электронам в высокотемпературных сверхпроводниках. Группа предварительно охладила атомы и затем поймала их в двухмерной плоскости решётки, образованной пересекающимися лучами лазера. При таких низких температурах атомы газа замедлились настолько, что удалось сфотографировать их взаимодействие.

По краям решётки, где атомы газа были более разрежены, наблюдались отдельные атомы, каждый со своим пустым пространством. Были обнаружены лишь единичные исключения из этого правила. Там, где газ был сжат сильнее, наблюдался неожиданный эффект: атомы имели соседа, были расположены один над другим и были крепко связаны между собой. Пары атомов выстроились с чередующейся магнитной ориентацией.

«Это были прекрасные, антиферромагнитные корреляции, похожие на рисунок шахматной доски – вверх, вниз, вверх, вниз» - описывает свои наблюдения Zwierlein.

В то же время, пары атомов располагались по соседству с пустыми ячейками решётки. Вероятно, именно такую структуру должны иметь высокотемпературные сверхпроводники, в которых резонирующие пары электронов в смежных ячейках решётки смогут перемещаться без сопротивления, если будет достаточно свободного места для их движения.

По мнению учёных, схожие структуры из более плотных материалов смогут обеспечить сверхпроводимость при комнатных температурах. Результаты, полученные в результате экспериментов, показывают необходимость дальнейшего охлаждения газа, как минимум в пять раз или около того.

Источник: http://science.sciencemag.org/content/353/6305/1260.full