Через камеру микроскопа просматривается охлажденное лазером атомное облако. Предоставлено: Университет Отаго

В первом для квантовой физики исследовании ученые Университета Отаго «удерживали» отдельные атомы на месте и наблюдали ранее невидимые сложные атомные взаимодействия.

Множество приборов, включая лазеры, зеркала, вакуумную камеру и микроскопы, собранные в физическом отделе Отаго, плюс много времени, энергии и опыта, обеспечили исследование этого квантового процесса, который до этого момента был просчитан только через статистическое усреднение экспериментов с большим количеством атомов.

Эксперимент улучшает современные знания, предлагая ранее невидимый взгляд на микроскопический мир и удивляя исследователей результатами.

«Наш метод включает в себя индивидуальное улавливание и охлаждение трех атомов до температуры около одной миллионной Кельвина с помощью высокофокусированных лазерных лучей в гипервакуумной камере размером с тостер. Мы медленно объединяем ловушки, содержащие атомы, чтобы произвести контролируемые взаимодействия и измерить их», — говорит доцент Миккель Ф. Андерсен из Физического факультета Отаго.

Когда три атома приближаются друг к другу, два образуют молекулу, и все они получают удар от энергии, высвобождаемой в процессе. Камера микроскопа позволяет увеличить и рассмотреть этот процесс.



Миккель Андерсен (слева) и Марвин Вейланд в физической лаборатории. Предоставлено: Университет Отаго

«Два атома сами по себе не могут образовать молекулу, для химии требуется по меньшей мере три. Наша работа — это первый случай, когда этот основной процесс был изучен изолированно, и оказалось, что он дал несколько удивительных результатов, которые мы не ожидали увидеть», — говорит доктор наук Марвин Вейланд, возглавлявший эксперимент.

Например, исследователи смогли увидеть точный результат отдельных процессов и наблюдали новый процесс, когда два атома покидают эксперимент вместе. До сих пор этот уровень детализации невозможно было наблюдать в экспериментах со множеством атомов.

«Работая на этом молекулярном уровне, мы узнаем больше о том, как атомы сталкиваются и реагируют друг с другом. С развитием эта технология могла бы обеспечить способ построения и управления отдельными молекулами определенных химических веществ», — добавляет Вейланд.

Доцент Андерсен допускает, что техника и уровень детализации могут быть трудны для понимания тем, кто находится за пределами мира квантовой физики, однако он считает, что применение этой науки будет полезно в развитии будущих квантовых технологий, которые могут повлиять на общество так же, как предыдущие квантовые технологии, которые позволили создать современные компьютеры и интернет.

«Исследования, проведенные всё в меньшем и меньшем масштабе, послужили основой для большинства технологических разработок за последние десятилетия. Например, это единственная причина, по которой современные мобильные телефоны обладают большей вычислительной мощностью, чем суперкомпьютеры 1980-х гг., и я буду очень рад видеть, как наши открытия повлияют на технологические достижения в будущем», — говорит доцент Андерсен.

Результаты эксперимента показали, что формирование молекулы заняло гораздо больше времени, чем ожидалось, по сравнению с другими экспериментами и теоретическими расчетами, которые в настоящее время недостаточны для объяснения этого явления. Хотя исследователи предлагают механизмы, которые могут объяснить это несоответствие, они подчеркивают необходимость дальнейших теоретических разработок в области экспериментальной квантовой механики.

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!