Фізики вперше сфотографували атоми такими, якими їх ніколи не бачили

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, повідомляється на сайті Массачусетського технологічного інституту.

Бозони та ферміони

Окремий атом має діаметр приблизно в одну десяту нанометра, що становить одну мільйонну частку товщини людської волосини. Атоми поводяться і взаємодіють відповідно до правил квантової механіки. Квантова природа атомів робить їх складними для розуміння, адже, наприклад, науковці не можуть одночасно точно знати, де перебуває атом і як швидко він рухається.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фізики застосовують різні методи для візуалізації атомів, де використовується лазерне світло, але ці методи дають змогу бачити лише загальну форму і структуру хмари атомів, але не окремі атоми. Вчені використовували абсолютно новий метод візуалізації, щоб сфотографувати окремі атоми, які вільно взаємодіють у просторі.

За допомогою лазерного світла вчені змусили атоми в хмарі взаємодіяти і переміщатися. Потім вони використовували інше лазерне світло для того, щоб зафіксувати атоми в їхніх положеннях, що дало змогу побачити окремий атом.

Учені застосували новий метод візуалізації для спостереження за взаємодіями між бозонами та ферміонами. Прикладом бозона є фотон або частинка світла, а прикладом ферміона є електрон, частинка, яка обертається навколо ядра атома. Атоми можуть бути бозонами або ферміонами залежно від їхнього спіна, тобто власного монета імпульсу, який визначається тим, чи є загальне число протонів, нейтронів та електронів в атомі парним або непарним. При цьому бозони притягують один одного, а ферміони — відштовхують.

Фізики вперше побачили це

Фізики вперше отримали зображення хмари бозонів, яка складається з атомів натрію. За низьких температур хмара бозонів утворює конденсат Бозе-Ейнштейна. Це стан матерії, в якому всі бозони мають один і той самий квантовий стан. Фізики отримали зображення окремих атомів, що дало змогу спостерігати їхні квантові взаємодії.

Згідно з теорією, бозони мають утворювати "згустки", коли перебувають поруч один з одним. Така поведінка є наслідком їхньої здатності мати одну й ту саму квантово-механічну хвилю. Цей хвилеподібний характер був уперше передбачений фізиком Луї де Бройлем. Саме гіпотеза "хвилі де Бройля" частково дала початок сучасній квантовій механіці. Фізики вперше побачили безпосередньо, як бозони групуються разом, оскільки вони мають одну квантову хвилю де Бройля.

Фізики також отримали зображення хмари атомів, що складається з двох типів атомів літію. Кожен тип атома є ферміоном, який відштовхує собі подібних, але може сильно взаємодіяти з іншими типами ферміонів. Під час дослідження фізики виявили, що дійсно, протилежні типи ферміонів взаємодіяли та утворювали пари ферміонів. Цей зв'язок раніше ніколи не бачили безпосередньо.

Як уже писав Фокус, фізики вперше змогли створити один із найважчих ізотопів водню за допомогою незвичайного методу. Це дуже важливе досягнення.

Також Фокус писав про те, що фізики дійшли висновку, що світло насправді не проявляє корпускулярно-хвильовий дуалізм, а значить не поводиться, як хвиля. Але це суперечить давнім переконанням фізиків.

Ще Фокус писав про те, що щодня на Землю падають супутники і вчені зробили шокуюче відкриття про те, чим це загрожує.