Тази снимка на единичен атом се превърна в истинско научно чудо
Преди пет години един академик съумя да направи това, което никой различен не е правил до момента: да снима един-единствен атом. Това спиращо дъха изображение завоюва огромната премия за научна снимка, проведена от Съвета за научни проучвания в региона на инженерните и физическите науки (Великобритания). Как се отрази този пробив на науката?
Какво са атомите?
Атомите се състоят от ядро, формирано от протони и неутрони, и електрони, които обикалят към ядрото. Да си напомним, че протоните имат позитивен заряд, електроните – негативен, а неутроните са без заряд.
Атомите се класифицират съгласно броя на протоните, който дефинира техния химичен детайл. Съществуват повече от 100 разнообразни химични детайла, като се стартира от най-простия – водорода, и се стигне до най-сложния – оганесона. Тези детайли могат да се комбинират, с цел да образуват молекули. С други думи, атомите са главните единици на материята. Те построяват всичко, което виждаме – от въздуха, който дишаме, до най-големите галактики във Вселената. Ето за какво проучването им е толкоз значимо.
Но тази работа е изключително сложна, защото атомите са извънредно дребни – единствено няколко десети от нанометъра в диаметър (нанометърът е една милиардна част от метъра). Физиците употребяват електромагнитни полета със специфична форма, с цел да ги манипулират. Дълго време обаче откривателите ги проучиха на пакети, заради което тази невероятна фотография на физика Дейвид Надлингер, направена в границите на проучванията му в региона на квантовата физика в Оксфордския университет, провокира голям интерес. На фотографията е сниман индивидуален стронциев атом.
Истински механически героизъм
За да се направи тази фотография, атомът първо е охладен до доста ниска температура благодарение на лазер, а по-късно е уловен от магнитни полета, които го задържат на едно място. След това е употребена единична йонна камера за осветление на атома с лъч от йони, с цел да стане забележим. На фотографията той наподобява като дребна яркосиня точка, арестувана във вакуум сред два електрода.
Трябва да се означи, че фотографията е направена в черно-бял цвят. След това е оцветена, с цел да се подчертае по-добре стронциевият атом. Освен това на фотографията не е показано непосредствено ядрото на атома. Това е по този начин, тъй като единствено електроните, които са в бързо придвижване към ядрото, могат да взаимодействат със светлината и да основат очевидно изображение. Следователно фотографията демонстрира облака от електрони към ядрото, само че не и самото ядро.
Стронтиевият атом се удържа в електрическото поле сред два електрода, ситуирани на разстояние по-малко от 2 милиметра един от различен.
Защо е определен точно стронция?
Физикът е избрал стронция по няколко аргументи. На първо място, той е относително необятно публикуван детайл в природата, което го прави удобен избор за опити в региона на квантовата физика. Второ, стронцият е детайл, който е подобаващ за опити с охлаждането, което е належащо за улавянето на един атом. Охлаждането забавя придвижването на атома и го задържа на едно място.
И най-после, стронцият е забавен детайл за проучвания в региона на квантовата физика, защото има няколко изотопа, т.е. разнообразни форми на детайла с друг брой неутрони. Това дава опция на физиците да организират сравнителни опити за проучване на квантовите свойства на всяка настройка.
Какви са изгодите за науката?
След публикуването, тази фотография завоюва състезанието за научна снимка на EPSRC и признанието бе изцяло справедливо. Физиците от дълго време търсят способи за манипулиране на обособените атоми, с цел да ги учат и употребяват в области, като да вземем за пример квантовите компютри (вид компютри, основани на правилата на квантовата механика, които дават опция за осъществяване на калкулации доста по-бързо от актуалните типичен компютри). Така фотографията се трансформира в доказателство, че сходно манипулиране към този момент е допустимо.
Снимката бе високо оценена и за невероятната ѝ дарба да улови хубостта на науката и да „ придаде лице “ на квантовата физика. Оттогава насам тази снимка стана известна по целия свят и породи удивление от тази изключително странна и предизвикателна научна област. Оттогава е реализиран забележителен прогрес в манипулирането и управлението на обособените атоми с нови все по-прецизни опити.
Един от тези опити бе образуването на молекули посредством тунелен резултат – т.е., химична реакция протичаща посредством тунелиране. Тунелните реакции играят съществена роля в химията, когато класическите пътища са енергийно „ неразрешени “. Това наблюдаване може съвършено да бъде теоретично разказано. Това е най-бавната реакция със заредени частици, следена в миналото.
Тунелният резултат е разследване от вълновата природа на материята. Това е квантовомеханично събитие, при което обект, да вземем за пример електрон или атом, съумява да премине бариерата от евентуална сила, когато съгласно класическата механика неговата сила е по-малка от нужния най-малко. Тунелните реакции в химията са доста сложни за теоретично пресмятане заради високата размерност на квантовата динамичност.
Тунелният резултат играе значима роля в някои макроскопични физични феномени, като да вземем за пример нуклеарния синтез, при който се усилва вероятността атомните ядра да преодолеят Кулоновата преграда и по този метод да се съединят, както и при алфа-радиоактивния разпад на атомните ядра. Именно проучването на радиоактивността води до откриването на тунелния резултат: първото му приложение през 1928 година е математическото пояснение на алфа разпада.
