Учёные впервые зафиксировали свободные атомы и подтвердили столетнюю теорию
Впервые учёные смогли зафиксировать отдельные атомы, свободно перемещающиеся и взаимодействующие в открытом пространстве. Это достижение подтверждает ключевые положения квантовой механики, которые были выдвинуты сто лет назад, но до сих пор не находили прямого экспериментального подтверждения.
Наблюдать за отдельными атомами крайне сложно из-за особенностей их квантовой природы. Например, невозможно одновременно точно определить положение и импульс атома. Однако с помощью специальных лазерных методов исследователи научились получать изображения атомных облаков. Как пояснил физик из Массачусетского технологического института Мартин Цвирляйн, обычно это напоминает попытку рассмотреть отдельные молекулы воды в облаке — их не видно по отдельности.
В новом эксперименте учёные пошли дальше и смогли сфотографировать так называемые «свободные» атомы вне ловушки. Сначала они собрали облако атомов в слабом магнитном поле при очень низких температурах, затем с помощью лазерной решётки временно зафиксировали их положение, а после этого другой лазер позволил определить координаты отдельных атомов.
Объектом наблюдения стали бозоны — частицы, которые могут находиться в одном квантовом состоянии и склонны группироваться, проявляя волновые свойства. Эта идея была впервые предложена французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году и получила название «волна де Бройля». В ходе эксперимента также удалось зафиксировать фермионы — частицы, которые, напротив, отталкиваются друг от друга.
Результаты исследования были опубликованы 5 мая в журнале Physical Review Letters. Кроме того, две другие научные группы сообщили о схожих успехах, используя аналогичные методы для наблюдения за парами бозонов и фермионов.
В дальнейшем команда планирует использовать новую методику, получившую название «атомно-разрешающая микроскопия», для изучения других квантовых явлений, например, эффекта квантового Холла, когда электроны выстраиваются в определённом порядке под действием сильного магнитного поля.