MIT -fysikere har fanget de første billeder af individuelle atomer, der frit interagerer i rummet. Billederne afslører sammenhænge mellem de “frie rækkevidde” -partikler, der indtil nu blev forudsagt, men aldrig direkte observeret. Deres fund, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbrevevil hjælpe forskere med at visualisere aldrig før set kvantefænomener i det virkelige rum.
Billederne blev taget ved hjælp af en teknik udviklet af teamet, der først giver en sky af atomer mulighed for at bevæge sig og interagere frit. Forskerne tænder derefter på et lysgitter, der kort fryser atomerne i deres spor, og de anvender fint indstillede lasere for hurtigt at belyse de suspenderede atomer, hvilket skaber et billede af deres positioner, før atomerne naturligt spredes.
Fysikerne anvendte teknikken til at visualisere skyer af forskellige typer atomer og knækkede en række billeddannelsesfirst. Forskerne observerede direkte atomer kendt som “bosoner”, som samlede sig i et kvantefænomen for at danne en bølge. De fangede også atomer kendt som “fermioner” i parringen af at parre sig i frit rum – en nøglemekanisme, der muliggør superledningsevne.
“Vi er i stand til at se enkeltatomer i disse interessante atomer af atomer og hvad de laver i forhold til hinanden, hvilket er smukt,” siger Martin Zwierlein, Thomas A. Frank -professor i fysik ved MIT.
I det samme tidsskriftsudgave rapporterer to andre grupper ved hjælp af lignende billeddannelsesteknikker, herunder et team ledet af Nobelprisvinderen Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur -professor i fysik ved MIT. Ketterle’s gruppe visualiserede forbedrede par korrelationer blandt bosoner, mens den anden gruppe fra École Normale Supérieure i Paris, ledet af Tarik Yefsah, en tidligere postdoc i Zwierleins laboratorium, afbildet en sky af ikke -interagerende fermioner.
Undersøgelsen af Zwierlein og hans kolleger er medforfatter af MIT-kandidatstuderende Ruixiao Yao, Sungjae Chi og Mingxuan Wang og MIT-lektor i fysik Richard Fletcher.
Inde i skyen
Et enkelt atom er ca. en tiendedel af et nanometer i diameter, som er en milliondel af tykkelsen af en streng af menneskehår. I modsætning til hår opfører atomer og interagerer atomer i henhold til reglerne for kvantemekanik; Det er deres Quantum Nature, der gør atomer vanskelige at forstå. For eksempel kan vi ikke samtidig vide nøjagtigt, hvor et atom er, og hvor hurtigt det bevæger sig.
Forskere kan anvende forskellige metoder til at forestille individuelle atomer, herunder absorptionsafbildning, hvor laserlys skinner på atomskyen og kaster sin skygge på en kameraskærm.
“Disse teknikker giver dig mulighed for at se den overordnede form og struktur af en sky af atomer, men ikke de enkelte atomer selv,” bemærker Zwierlein. “Det er som at se en sky på himlen, men ikke de individuelle vandmolekyler, der udgør skyen.”
Han og hans kolleger tog en meget anden tilgang for direkte at imødekomme atomer, der interagerede i frit rum. Deres teknik, kaldet “atomopløst mikroskopi”, involverer først at korrelere en sky af atomer i en løs fælde dannet af en laserstråle.
Denne fælde indeholder atomerne på et sted, hvor de frit kan interagere. Forskerne blinker derefter på et lysgitter, der fryser atomerne i deres positioner. Derefter belyser en anden laser de suspenderede atomer, hvis fluorescens afslører deres individuelle positioner.
“Den sværeste del var at samle lyset fra atomerne uden at koge dem ud af det optiske gitter,” siger Zwierlein. “Du kan forestille dig, at hvis du tog en flammekaster til disse atomer, ville de ikke lide det. Så vi har lært nogle tricks gennem årene om, hvordan man gør dette.
“Og det er første gang, vi gør det in-situ, hvor vi pludselig kan fryse atomernes bevægelse, når de stærkt interagerer og ser dem, den ene efter den anden. Det er det, der gør denne teknik mere kraftfuld end hvad der blev gjort før.”
Bunker og par
Holdet anvendte billeddannelsesteknikken til direkte at observere interaktioner mellem både bosoner og fermioner. Fotoner er et eksempel på en boson, mens elektroner er en type fermion. Atomer kan være bosoner eller fermioner, afhængigt af deres samlede spin, der bestemmes af, om det samlede antal af deres protoner, neutroner og elektroner er jævn eller underlig. Generelt tiltrækker bosoner, mens fermioner afviser.
Zwierlein og hans kolleger afbildede først en sky af bosoner bestående af natriumatomer. Ved lave temperaturer danner en sky af bosoner, der er kendt som et Bose-Einstein-kondensat-en tilstand af stof, hvor alle bosoner deler en og den samme kvantetilstand. MITs Ketterle var en af de første, der producerede et Bose-Einstein-kondensat, af natriumatomer, som han delte Nobelprisen i fysik i 2001.
Zwierleins gruppe er nu i stand til at forestille sig de individuelle natriumatomer i skyen for at observere deres kvanteinteraktioner. Det er længe blevet forudsagt, at bosoner skulle “bunke” sammen og have en øget sandsynlighed for at være i nærheden af hinanden.
Denne bundning er en direkte konsekvens af deres evne til at dele en og den samme kvantemekaniske bølge. Denne bølge-lignende karakter blev først forudsagt af fysiker Louis de Broglie. Det er “de Broglie Wave” -hypotesen, der til dels udløste begyndelsen af moderne kvantemekanik.
“Vi forstår så meget mere om verden fra denne bølgelignende natur,” siger Zwierlein. “Men det er virkelig svært at observere disse kvante-, bølge-lignende effekter. I vores nye mikroskop kan vi dog visualisere denne bølge direkte.”
I deres billeddannelseseksperimenter kunne MIT -teamet se for første gang på stedet bosoner sammen, da de delte et kvante, korrelerede De Broglie Wave. Holdet afbildede også en sky af to typer lithiumatomer. Hver type atom er en fermion, der naturligt afviser sin egen art, men det kan stærkt interagere med andre bestemte fermionstyper.
Da de afbildede skyen, observerede forskerne, at de modsatte fermionstyper interagerede og dannede fermionpar – en kobling, som de direkte kunne se for første gang.
“Denne form for parring er grundlaget for en matematisk konstruktion, som folk kom med for at forklare eksperimenter. Men når du ser billeder som disse, vises det på et fotografi, et objekt, der blev opdaget i den matematiske verden,” siger studie-medforfatter Richard Fletcher. “Så det er en meget flot påmindelse om, at fysik handler om fysiske ting. Det er ægte.”
Fremover vil teamet anvende deres billeddannelsesteknik til at visualisere mere eksotiske og mindre forståede fænomener, såsom “Quantum Hall Physics” – situationer, når de interagerer elektroner viser ny korreleret adfærd i nærvær af et magnetfelt.
“Det er her teori bliver virkelig behåret-hvor folk begynder at tegne billeder i stedet for at være i stand til at nedskrive en fuldgyldig teori, fordi de ikke fuldt ud kan løse den,” siger Zwierlein. “Nu kan vi verificere, om disse tegneserier i Quantum Hall -stater faktisk er reelle. Fordi de er temmelig bisarre stater.”