Aby zrozumieć, w jaki sposób atomy łączą się, tworząc cząsteczki, musimy wyłapać je w akcji. Ale aby to zrobić, fizycy muszą zatrzymać atomy na wystarczająco długo, aby ich interakcje zostały zarejestrowane.
Nie jest to łatwe zadanie, ale udało się to fizykom z Uniwersytetu Otago.
Jak dotąd najlepszym sposobem zrozumienia zawiłości różnych interakcji atomów było obliczenie korelacji na podstawie średnich wartości w skupiskach cząstek.
Ta oparta na crowdsourcingu wersja technologii atomowej dostarcza wielu przydatnych informacji naukowych, ale nie obejmuje kluczowych szczegółów zderzeń i zderzeń miażdżących między pojedynczymi cząstkami, które powodują, że inne rozpraszają się i łączą.
Nawet jeśli uda ci się uchwycić kilka atomów w tej samej przestrzeni, każde zderzenie może spowodować, że atomy wydostaną się z eksperymentu.
Jednym ze sposobów analizy takich zderzeń jest chwytanie pojedynczych atomów odpowiednikiem małej pęsety, trzymanie ich nieruchomo i rejestrowanie zmian w miarę ich pojawiania się.
Na szczęście taka pęseta istnieje. Wykonane ze specjalnie dopasowanego światła spolaryzowanego, te szczypce laserowe mogą działać jako optyczne pułapki na małe przedmioty.
Biorąc pod uwagę stosunkowo krótkie długości fal światła, eksperymentator ma duże szanse na złapanie czegoś tak małego jak pojedynczy atom. Oczywiście musisz najpierw schłodzić atomy, aby były łatwiejsze do złapania, a następnie wybrać je w pustej przestrzeni.
Mikkel Andersen (po lewej) i Marvin Weiland w laboratorium fizycznym.
Brzmi łatwo. Ale proces ten wymaga odpowiedniej technologii i dużo cierpliwości.
„Nasza metoda polega na indywidualnym wychwytywaniu i schładzaniu trzech atomów do około jednej milionowej kelwina przy użyciu wysoce skupionych wiązek laserowych w komorze hiperpróżniowej (próżniowej) wielkości tostera” – mówi fizyk Mikkel F. Andersen.
„Powoli łączymy pułapki zawierające atomy w celu uzyskania kontrolowanych interakcji, które mierzymy”.
W tym przypadku wszystkie atomy były odmianami rubidu, które wiążą się, tworząc cząsteczki dirubidium, ale dwa atomy nie wystarczą, aby to osiągnąć.
„Dwa atomy nie mogą utworzyć cząsteczki; chemia wymaga co najmniej trzech” – mówi fizyk Marvin Weiland.
Modelowanie tego, jak to się dzieje, jest prawdziwym wyzwaniem. Oczywiście dwa atomy muszą zbliżyć się wystarczająco blisko, aby utworzyć wiązanie, podczas gdy trzeci zabiera część energii wiązania, aby je związać.
Wypracowanie matematyki opisującej, jak tylko dwa atomy spotykają się, aby zbudować cząsteczkę, jest trudne. Uwzględnianie wszystkich działań może być koszmarem.
Teoretycznie rekombinacja trzech ciał między atomami powinna zmusić je do wyjścia z pułapki, co zwykle dodaje kolejny problem fizykom próbującym zbadać interakcje między wieloma atomami.
Korzystając z dedykowanej kamery do obserwowania zmian, zespół uchwycił moment, w którym cząsteczki rubidu zbliżały się do siebie i stwierdził, że tempo utraty nie było tak wysokie, jak oczekiwano.
W rzeczywistości oznacza to również, że cząsteczki nie gromadziły się tak szybko, jak mogłyby to wyjaśnić istniejące modele.
Coś o ograniczaniu atomów i kwantowych efektach bliskiego zasięgu może pomóc wyjaśnić tę powolność, ale fakt, że jest to nieoczekiwane, oznacza, że dzięki temu procesowi można zbadać wiele fizyki.
„Wraz z rozwojem technika ta mogłaby zapewnić sposób tworzenia i kontrolowania pojedynczych cząsteczek pewnych substancji chemicznych”.
Dalsze eksperymenty pomogą udoskonalić te modele, aby lepiej wyjaśnić, w jaki sposób grupy atomów współpracują ze sobą, aby spotkać się i połączyć w różnych warunkach.
W świecie ciągle rozwijającej się technologii nietrudno wyobrazić sobie potrzebę procesów, w których mikroskopijne obwody i zaawansowane leki są budowane atom po atomie, jeden związek na raz.
„Nasze badania starają się utorować drogę dla możliwości budowania na bardzo małą skalę, a mianowicie w skali atomowej, i jestem bardzo podekscytowany, widząc, jak nasze odkrycia wpłyną na postęp technologiczny w przyszłości” – mówi Andersen.
Badanie to zostało opublikowane w Physical Review Letters.
Źródła: Zdjęcie: University of Otago
