Впервые: MIT сфотографировал отдельные атомы в свободном квантовом движении

Физики из MIT впервые в истории сфотографировали отдельные атомы, свободно взаимодействующие друг с другом в пространстве. Эти уникальные изображения подтвердили теоретически предсказанные, но никогда ранее не наблюдавшиеся квантовые эффекты. Открытие опубликовано в журнале Physical Review Letters и открывает путь к наглядному изучению сложных квантовых явлений, ранее скрытых от глаз учёных.

Чтобы получить эти снимки, команда разработала особую методику : атомы сначала перемещаются свободно в облаке, затем их движение кратковременно «замораживается» с помощью оптической решётки — структуры из света, а потом на них направляют точно настроенные лазеры, которые подсвечивают частицы, фиксируя их положение. Всё это происходит за доли секунды до того, как атомы снова исчезают из поля зрения.

Впервые были получены изображения как бозонов, так и фермионов — двух фундаментальных классов частиц. Бозоны, например, фотоны, могут скапливаться в одном квантовом состоянии и образовывать волны. Фермионы, к которым относятся электроны, наоборот, отталкиваются, но при определённых условиях могут образовывать пары — это ключевой механизм сверхпроводимости. Исследователям удалось увидеть, как фермионы образуют такие пары прямо в свободном пространстве — не в кристаллической решётке и не в твердом теле, а «вживую».

По словам Мартина Цвирляйна, профессора физики в MIT, впервые стало возможно не только наблюдать отдельные атомы, но и видеть, как они ведут себя по отношению друг к другу — это, по его словам, по-настоящему красиво. Его команда работала над этим проектом вместе с аспирантами и преподавателями MIT, используя разработанный ими метод микроскопии с разрешением до отдельного атома. Он позволяет создать мягкую «ловушку» из лазерного луча, где атомы могут свободно двигаться, а затем мгновенно «замораживает» их, позволяя зафиксировать их взаимодействие.

Сложность заключалась в том, чтобы осветить атомы без разрушения их состояния. Атомы при сильном воздействии света могут просто «вскипеть» — исчезнуть из наблюдаемой системы. Поэтому учёные долго оттачивали технику: как подсветить, но не разрушить. В результате они смогли зафиксировать положение каждой частицы, словно делая снимки капель воды в облаке, которых раньше можно было видеть только как размытую массу.

Среди прочего, команда исследовала бозоны из атомов натрия и увидела, как они «скучиваются» — то есть группируются, как и предсказывали учёные. Это связано с тем, что такие частицы могут существовать в одном и том же квантовом состоянии, образуя единую волновую структуру. Это волновое поведение — ещё одно подтверждение гипотезы Луи де Бройля, которая стала фундаментом квантовой механики. До сих пор подобные эффекты можно было лишь рассчитать математически, а теперь их удалось увидеть.

Также были исследованы облака атомов лития, в которых две разновидности фермионов взаимодействовали и формировали пары. Эти парные состояния учёные до сих пор лишь теоретически моделировали — теперь же они зафиксированы на фото.

По мнению одного из соавторов исследования, Ричарда Флетчера, это редкий случай, когда математические конструкции квантовой физики материализуются на фотографии. В дальнейшем команда планирует использовать свою технологию для изучения более экзотических явлений, например, квантового эффекта Холла — состояний, которые описываются больше на уровне «карикатур» в учебниках, чем точными формулами.

Теперь у науки появился инструмент, который может показать, насколько эти странные состояния реально существуют.