Abychom pochopili, jak se atomy spojují a tvoří molekuly, musíme je zachytit v akci. K tomu však musí fyzikové nechat atomy zastavit dostatečně dlouho, aby mohly být zaznamenány jejich interakce.
Není to snadný úkol, ale podařilo se mu to fyzikům z University of Otago.
Dosud nejlepším způsobem, jak porozumět složitosti různých interakcí atomů, bylo vypočítat korelace na základě středních hodnot mezi shlukem částic.
Tato crowdsourcingová verze atomové technologie poskytuje mnoho užitečných věd, ale nedokáže pochopit klíčové podrobnosti kolize a drtivých kolizí mezi jednotlivými částicemi, které způsobují rozptýlení a sloučení ostatních.
I když se vám podaří zachytit několik atomů ve stejném prostoru, každá kolize může způsobit, že se atomy z vašeho experimentu dostanou.
Jedním ze způsobů, jak analyzovat takové srážky, je popadnout izolované atomy ekvivalentem malého páru pinzet, držet je nehybně a zaznamenávat změny, jak přicházejí.
Naštěstí taková pinzeta existuje. Tyto laserové kleště vyrobené ze speciálně zaměřeného polarizovaného světla mohou fungovat jako optické pasti na drobné předměty.
Vzhledem k relativně krátkým vlnovým délkám světla má experimentátor dobrou šanci zachytit něco tak malého jako jeden atom. Nejprve samozřejmě musíte atomy ochladit, aby se snadněji zachytily, a poté je vybrat na prázdném prostoru.
Mikkel Andersen (vlevo) a Marvin Weiland ve fyzikální laboratoři.
Zní to jednoduše. Tento proces však vyžaduje správnou technologii a hodně trpělivosti.
„Naše metoda zahrnuje individuální zachycení a ochlazení tří atomů na teplotu asi jedné miliontiny Kelvina pomocí vysoce zaostřených laserových paprsků v hypervakuové (vakuové) komoře o velikosti toustovače,“ říká fyzik Mikkel F. Andersen.
„Pomalu kombinujeme pasti obsahující atomy, abychom vytvořili řízené interakce, které měříme.“
V tomto případě byly všechny atomy odrůdami rubidia, které se vážou na molekuly dirubidia, ale k dosažení tohoto cíle nestačí jen dva atomy.
„Dva atomy nemohou tvořit molekulu; chemie vyžaduje nejméně tři,“ říká fyzik Marvin Weiland.
Modelování toho, jak se to děje, je skutečnou výzvou. Je zřejmé, že dva atomy se musí dostat dostatečně blízko, aby vytvořily vazbu, zatímco třetí odebírá část této energie vazby, aby je nechal svázané.
Vypracovat matematiku toho, jak se jen dva atomy setkávají, aby vytvořily molekulu, je obtížné. Zohlednění všech akcí může být noční můrou.
Teoreticky by rekombinace tří těles mezi atomy měla přinutit opustit pasti, což obvykle přináší další problém fyzikům, kteří se snaží studovat interakce mezi více atomy.
Pomocí speciální kamery k pozorování změn tým zachytil okamžik, kdy se částice rubidia přiblížily k sobě, a zjistil, že míra ztráty nebyla tak vysoká, jak se očekávalo.
Ve skutečnosti to také znamená, že se molekuly neshromáždily tak rychle, jak by mohly vysvětlit stávající modely.
Něco o omezení atomů a kvantových efektech krátkého dosahu může pomoci vysvětlit tuto pomalost, ale skutečnost, že je to neočekávané, znamená, že tímto procesem lze prozkoumat spoustu fyziky.
„S vývojem by tato technika mohla poskytnout způsob, jak vytvářet a kontrolovat jednotlivé molekuly určitých chemikálií.“
Další experimenty pomohou zdokonalit tyto modely, aby lépe vysvětlily, jak skupiny atomů spolupracují, aby se setkaly a spojily za různých podmínek.
Ve světě neustále se zlepšujících technologií není těžké si představit potřebu procesů, ve kterých jsou mikroskopické obvody a pokročilé léky vytvářeny atom za atomem, jedna sloučenina po druhé.
“Náš výzkum se snaží připravit půdu pro schopnost stavět ve velmi malém měřítku, konkrétně v atomovém měřítku, a jsem velmi nadšený, když vidím, jak naše objevy ovlivní technologický pokrok v budoucnosti,” říká Andersen.
Tato studie byla publikována v Physical Review Letters.
Zdroje: Foto: University of Otago
