Поймать и разглядеть! Атомарное разрешение микроскопии.

Используя микроскопию с разрешением на уровне отдельных атомов, ультрахолодные квантовые газы, состоящие из двух типов атомов, демонстрируют совершенно разные пространственные корреляции: бозоны слева демонстрируют группировку, а фермионы справа — антигруппировку. Источник.

Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать птицу в полёте. Вы понимаете, что поймать мгновение можно только полагаясь на удачу: если повезёт, орёл будет парить в своём величии, и тогда кадр получится не смазанным, а объект хорошо различимым. Но что, если вы собрались запечатлеть пикирующего сапсана, способного в моменте развить до 90 м/с? Похожую по сложности задачу решили учёные из Массачусетского технологического института (MIT), но вместо фотокамеры у к них был микроскоп, а вместо стремительной птицы — атом, который также не хочет стоять на месте.

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, они сообщают о первых чётких изображениях свободно движущихся в пространстве отдельных атомов. На снимках показаны связи между частицами «свободного радиуса действия», которые до сих пор имели статус математических выкладок, и впервые доказаны эмпирически — теперь их можно видеть. Это поможет визуализировать и другие никогда ранее не наблюдавшиеся явления (в том числе — квантовые) в реальном пространстве, открыв новые горизонты в химии, физике и вычислениях. 

Диаметр одного атома примерно в миллион раз тоньше человеческого волоса — всего около 0.1 нм. Но даже не столь малый размер, а именно квантовость природы их поведения делает его сложным для нашего понимания. Например, мы не можем одновременно измерить несколько параметров атома: чтобы точно узнать, где находится атом и как быстро он движется, нужны два измерения, сделанные одно за другим.

Исходя из этого, становится понятно, почему до сих пор учёные могли детально изучать атомы только в «зажатом» состоянии — замороженными в кристаллической решётке или пойманными в ловушки электромагнитных полей. Однако в реальном мире (допустим, в газе) атомы движутся постоянно и хаотично: сталкиваются, в миг меняют направление, разлетаются и как-то взаимодействуют на скоростях сотни метров в секунду. Поэтому рассматривать их в «позах» — закреплёнными в кристаллах или магнитных ловушках — всё равно, что разглядывать фотографии в паспортах танцоров, пытаясь понять, насколько хорошо они впишутся в коллективное выступление.

Увидеть этот «концерт» в деталях было невозможно, хотя попытки, конечно, предпринимались. Так, при абсорбционной визуализации лазерный луч освещал облако атомов и отбрасывает его тень на экран камеры. По полученному отпечатку строились выводы и обновления данных, но и в этом случае картина была не полной.

«Эти методы позволяют вам увидеть общую форму и структуру облака атомов, но не отдельные атомы, — отмечает Мартин Цвирляйн, профессор физики из MIT. — Это как видеть облако в небе, но не отдельные молекулы воды, из которых оно состоит».

Подход.

Теперь же команда профессора использовала совершенно другой подход. Чтобы увидеть атомы, взаимодействующие в свободном пространстве, был разработан метод «атомно-разрешённой микроскопии», который включает в себя два этапа. Сначала происходит своего рода загон облака атомов в свободную ловушку, образованную лазерным лучом. Сама по себе эта ловушка не стремится обездвижить атомы, а как раз наоборот — они здесь могут свободно двигаться. А вот затем вспышка света замораживает их там, где застала (как пауза в вашем видеопроигрывателе), а второй лазер освещает их в таком подвешенном состоянии и делает подобие снимка с экрана, выявляя их индивидуальные положения посредством флуоресценции.

«Самым сложным было собрать свет от атомов, не испарив их из оптической решётки, — говорит Цвирляйн. — Можете это себе представить, как если бы вы поднесли огнемёт к этим атомам; им бы это не понравилось. Так что за эти годы мы научились некоторым трюкам, как это сделать. И это первый раз, когда мы делаем это in situ, когда мы можем внезапно заморозить движение атомов, когда они сильно взаимодействуют, и увидеть их один за другим. Вот что делает эту технику более мощной, чем то, что использовалось ранее».

Применив эту технику для визуализации облаков различных типов атомов и сделав ряд первых снимков, команда сумела напрямую наблюдать бозоны (а атомы с нулевым или целым спином), которые собирались в волну, что само по себе — явление квантовое. Перед учёными также предстали фермионы (атомы с полуцелым спином), которых удалось застать в процессе объединения в пары в свободном пространстве, что само по себе довольно волнительно, ведь это ключевое условие сверхпроводимости.

«Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках атомов и то, как они взаимодействуют друг с другом, и это прекрасно», — говорит Цвирляйн.

Связки и пары.

Итак, получилось визуализировать различные взаимодействия; одни из них характерны для бозонов, другие — для фермионов. Так, фотоны являются примером бозона и притягиваются друг ко другу, а электроны — взаимно отталкиваются и представляют собой пример фермиона. Вообще, что за атом перед нами — бозон или фермион — можно узнать по его общему спину, который и влияет на поведение атома. А вот характеристика самого спина вытекает из чётности или нечётности общего числа протонов, нейтронов и электронов атома.

Вверху: два изображения показывают, как блуждающие атомы в атомной ловушке (красный) внезапно замораживаются на месте с помощью примененной оптической решетки и отображаются с помощью охлаждения боковой полосы Рамана.

Внизу: три изображения микроскопа показывают (слева направо) бозонный 23Na, образующий конденсат Бозе-Эйнштейна; одно спиновое состояние в слабовзаимодействующей смеси Ферми 6Li; и оба спиновых состояния сильновзаимодействующей смеси Ферми, напрямую показывающие образование пар. Источник.

Новый метод позволил наблюдать конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, в котором бозоны, обладающие компанейским характером, притягиваясь друг ко другу разделяют одно и то же квантовое состояние. Изображение облака бозонов удалось получить из атомов натрия, которые при низких температурах как раз и проявляют такой эффект.

То, что бозоны должны группироваться, предсказывалось давно. Высокие шансы находиться рядом являются прямым следствием их способности разделять одну и ту же квантово-механическую волну. Этот волнообразный характер был предсказан физиком Луи де Бройлем. Именно гипотеза «волны де Бройля» частично положила начало современной квантовой механике, а теперь получила подтверждение, что называется, in situ.

«Мы понимаем гораздо больше о мире благодаря этой волнообразной природе, — говорит Цвирляйн, — но наблюдать эти квантовые волнообразные эффекты действительно сложно. Однако в нашем новом микроскопе мы можем визуализировать эту волну напрямую».

Команда также визуализировала облако из двух типов атомов лития. Примечательно, что каждый из них представляет фермионы, и, как и положено, естественным образом отталкивает свой собственный вид. Однако есть предположение, что каждый из них может сильно взаимодействовать с другими конкретными типами фермионов. И теперь, во время проведения визуализации облака, исследователи действительно наблюдали как противоположные типы фермионов образовывали пары.

«Такого рода парность является основой математической конструкции, которую люди придумали для объяснения экспериментов. Но когда вы видите такие картинки, это показывает на фотографии объект, который был обнаружен в математическом мире, — говорит соавтор исследования Ричард Флетчер. — Так что это очень хорошее напоминание о том, что физика — это физические вещи. Это реально».

Команда очень воодушевлена новой игрушкой и в дальнейшем намерена применять свою технологию для визуализации более экзотических и менее понятных явлений. Например, им интересна квантовая физика Холла, возникающая в ситуации, когда взаимодействующие электроны демонстрируют новое коррелированное поведение в присутствии магнитного поля.

«Вот где теория становится действительно сложной — когда люди начинают рисовать картинки вместо того, чтобы записать полноценную теорию, потому что они не могут полностью решить её, — говорит Цвирляйн. — Теперь мы можем проверить, являются ли эти карикатуры квантовых состояний Холла на самом деле реальными. Потому что это довольно странные состояния».

АРМК, по материалам MIT.