Pojedyncze atomy w pułapce. Po raz pierwszy zrobiono takie zdjęcia
Naukowcom udało się po raz pierwszy w historii zaobserwować pojedyncze atomy unoszące się swobodnie w przestrzeni i wchodzące ze sobą w interakcje. To odkrycie potwierdza w końcu hipotezę fizyki kwantowej. Oddziaływania "swobodnych" cząstek, gromadzących się lub odpychających wzajemnie, były do tej pory jedynie przewidywane, ale nigdy wcześniej nie udało się ich zaobserwować. Teraz widać je na zdjęciach.
Pojedyncze atomy w pułapce. Teraz laserem w chmurę!
Pojedyncze atomy co prawda istnieją, ale są niezwykle trudne w obserwacji z powodu ich natury na poziomie kwantowym. Występuje choćby problem pomiaru - nie da się jednocześnie wyznaczyć położenia i prędkości atomu. Fizycy z MIT zastosowali jednak specjalną technikę laserową, aby zwizualizować chmurę atomów różnego typu, a następnie wykonać zdjęcia.
"Te techniki pozwalają zobaczyć ogólny kształt i strukturę chmur atomów, ale nie same atomy. To jak oglądanie chmury na niebie, ale nie poszczególnych molekuł wody, które tworzą tę chmurę" - powiedział Martin Zwierlein, profesor fizyki na MIT. Przy zastosowaniu dotychczasowych technik nie można więc było oglądać indywidualnych atomów.
Udało się to dopiero po zastosowaniu nowego podejścia, nazwanego przez nich mikroskopią atomowo-rozdzielczą (ang. atom-resolved microscopy). "Byliśmy w stanie zobaczyć pojedyncze atomy w tych interesujących chmurach atomów i to, co robią w odniesieniu do siebie nawzajem, co jest piękne" - dodaje naukowiec.
Fizycy umieścili chmurę atomów sodu w pułapce o ultraniskiej temperaturze. Przy pomocy strzałów światła laserowego na moment zamrozili atomy, po czym kolejny, fluorescencyjny laser oświetlił pozycje poszczególnych atomów. Badaczom udało się zaobserwować zarówno bozony, jak i fermiony. Te pierwsze cząstki zachowują się jak fale i zakładano, że mają tendencję do gromadzenia się. Zespół dostrzegł występowanie w nich fal de Broglie'a. Drugi rodzaj zarejestrowanych cząstek to fermiony litu, które zachowują się odwrotnie, odpychając się wzajemnie.
To odkrycie potwierdza hipotezę fizyki kwantowej sprzed 100 lat
Korzystając z lasera, fizycy musieli zastosować pewne sztuczki, aby nie "wygotować" atomów, lecz je zamrozić. Jak żartuje Zwierlein, można potraktować atomy miotaczem ognia, ale raczej by im się to nie spodobało. No a co konkretnie udało się zaobserwować? Przede wszystkim interakcje kwantowe poszczególnych atomów wewnątrz chmury.
Jak wspomnieliśmy we wcześniejszym akapicie, od dawna przewidywano, że bozony mają tendencję do gromadzenia się, czyli że istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że będą występować blisko siebie. Jest to spowodowane tym, że cząstki te mogą współdzielić tę samą kwantową falę mechaniczną. To zachowanie przewidział francuski fizyk i laureat Nagrody Nobla, Louis de Broglie, a jego hipoteza sprzed blisko 100 lat stworzyła podwaliny nowoczesnej mechaniki kwantowej.
Fizykom z MIT udało się więc zaobserwować zgromadzone bozony przy występowaniu fali de Broglie'a. Zobrazowali także zjawisko związane z fermionami. Każda taka cząstka odpycha inne cząstki swojego rodzaju, ale wchodzi w silne interakcje z innymi rodzajami. I tak też się stało w chmurze atomów litu. Przeciwne rodzaje fermionów wchodziły ze sobą w interakcje. Takie pary fermionów również zostały zaobserwowane po raz pierwszy.
Jak powiedział współautor eksperymentu, profesor fizyki na MIT, Richard Fletcher, "kiedy widzisz zdjęcia takie jak te, pokazują one na fotografii obiekt, który został odkryty w świecie matematycznym. Jest to więc miłe przypomnienie, że w fizyce chodzi o fizyczne rzeczy. To jest prawdziwe".
Zespół planuje wykorzystać swoją technikę do zobrazowania jeszcze bardziej egzotycznych fenomenów, takich jak kwantowe zjawisko Halla, w którym elektrony wykazują nowe, skorelowane zachowania pod wpływem pola magnetycznego.
Zobacz również:
Źródło: R. Yao, S. Chi, M. Wang, R. J. Fletcher i M. Zwierlein, Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy, Phys.Rev.Lett. 134 (2025) 18, 183402, DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.183402.
