Физики получили первые изображения отдельных атомов, взаимодействующих друг с другом, что помогло подтвердить теоретические корреляции, которые никогда ранее не наблюдались напрямую.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ранее уже были получены изображения отдельных атомов, но только в контексте кристаллической структуры или в сильных полях, где атомы не могут двигаться.
Используя микроскопию с разрешением отдельных атомов, физики исследовали ультрахолодные квантовые газы, состоящие из двух типов атомов: бозоны слева демонстрируют сгущение, а фермионы справа — антисгущение. Автор иллюстрации — Сэмпсон Уилкокс.
Новые изображения начинаются с «облака» свободно движущихся атомов. Исследователи включают световую решётку, которая ненадолго «замораживает» атомы. Лазеры освещают приостановленные атомы, чтобы создать картину их положений, прежде чем атомы вернутся к своему прежнему состоянию.
Физики впервые смогли наблюдать квантово-механические взаимодействия между атомами, в том числе те, которые отвечают за сверхпроводимость и волновую природу мельчайших объектов.
«Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках атомов и то, что они делают по отношению друг к другу, и это прекрасно», — говорит старший автор Мартин Цвирлейн из Массачусетского технологического института (MIT) в США.
Цвирлейн считает, что наблюдение волновой природы атомов — важный шаг для экспериментальной физики.
«Мы гораздо больше понимаем о мире благодаря этой волновой природе, — говорит Цвирлейн. — Но наблюдать эти квантовые волновые эффекты действительно сложно. Однако в нашем новом микроскопе мы можем визуализировать эту волну напрямую».
Цвирлейн отмечает, что предыдущие подходы к изучению облаков свободно движущихся атомов были «подобны наблюдению облака в небе, но не отдельных молекул воды, из которых оно состоит».
Самой сложной частью было получить свет от атомов, не давая им слишком много энергии, чтобы они не покинули свою оптическую решётку.
«Вы можете представить, что если бы вы направили на эти атомы огнемет, им бы это не понравилось, — говорит Цвирлейн. — Впервые мы делаем это in situ, где мы можем внезапно заморозить движение атомов, когда они сильно взаимодействуют, и увидеть их один за другим. Именно это делает этот метод более мощным, чем всё, что делалось ранее».