Fysikere observerer individuelle atomare kollisioner under diffusion for første gang

I forskningsverdenen, diffusion forstås som en proces, hvor små partikler fordeler sig ensartet gennem en gas eller væske. Selvom disse medier består af individuelle partikler, diffusion opfattes som en kontinuerlig proces. Indtil nu, virkningerne af en individuel kollision mellem partikler - hjørnestenen i diffusion - var ikke blevet observeret. Nu, Det er lykkedes fysikere i Kaiserslautern og Erlangen at observere de grundlæggende trin af diffusion af individuelle atomer i en gas og har givet en teoretisk beskrivelse af denne mekanisme. Undersøgelsen er publiceret i det anerkendte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

For næsten to hundrede år siden, den skotske læge og forsker Robert Brown observerede, at partikler af pollen dirrer, når de bevæger sig gennem en væske. Små partikler, såsom molekyler eller atomer, udviser lignende adfærd, når de spredes i gasser og væsker. Som følge af et stort antal tilfældige kollisioner, partiklerne viser et zigzag-mønster af bevægelser, der får forskellige stoffer til at blande sig. Forskere omtaler disse zigzag-bevægelser som "brownsk bevægelse" og til spredning og blanding af forskellige stoffer som diffusion.

"Diffusion er et nøglefænomen inden for mange videnskabsområder og danner grundlag for adskillige transportprocesser, for eksempel i levende celler eller energilagringsenheder, " siger professor Artur Widera, der forsker i individuelle atomers kvantefysik og ultrakolde kvantegasser ved TU Kaiserslautern. "Derfor er det vigtigt at have en forståelse af diffusionsprocesser inden for næsten alle områder af biovidenskaberne, naturvidenskab, og teknologisk udvikling."

En nem, forenklet forståelse af diffusion kan opnås ved at se bort fra de individuelle kollisioner mellem partikler. "I denne sammenhæng, vi taler også om et kontinuerligt medie med, for eksempel, en større partikel diffunderer ind i den. Denne forenkling bliver så meget desto mere nøjagtig, som massen af ​​partiklerne i mediet bliver mindre og hyppigheden af ​​kollisioner bliver højere, " siger Dr. Michael Hohmann, der er forsker i professor Wideras gruppe og førsteforfatter til denne undersøgelse. Et dagligdags eksempel er tåge, som også kan ses som et medium af denne art, selvom det faktisk består af små individuelle vanddråber.

For deres eksperimenter, fysikerne, der arbejdede under Widera, justerede de forhold, der karakteriserer et kontinuerligt medium:"I stedet for store partikler, såsom pollen, vi studerede diffusionen af ​​individuelle atomer, der har næsten samme masse som atomer i gassen. Desuden, vi brugte en meget kold, fortyndet gas for drastisk at reducere hyppigheden af ​​kollisioner, " forklarer Hohmann. Ved at gøre det, de Kaiserslautern-baserede forskere observerede, for første gang, hvordan cæsiumatomer diffunderer ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt i en gas, der består af rubidiumatomer. "Det er temperaturer, som intet køleskab kan gengive, så vi brugte laserstråler til at afkøle atomerne og holde dem på plads i et vakuumapparat. Dette bremsede spredningen i en sådan grad, at effekten af ​​individuelle kollisioner kunne observeres, " forklarer professor Widera med hensyn til forsøgsopstillingen.

Til den teoretiske beskrivelse af eksperimentet, forskerne i Kaiserslautern fik hjælp fra deres kollega professor Eric Lutz, professor i teoretisk fysik ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), som hjalp dem med at udvikle den matematiske modellering. "Med den nye model, vi kan nu beskrive atomernes bevægelser mere præcist, " siger den Erlangen-baserede forsker. Sammen de viste, at det er tilstrækkeligt at ændre friktionskoefficienten i den teoretiske beregning fra den kontinuerlige model. Ved at gøre det, det er også muligt at beskrive sager, der ikke involverer et kontinuerligt medie, som i ovenstående eksperiment. Eksempler på sådanne tilfælde omfatter, når aerosoler – blandinger af suspenderede partikler – spredes i tynde luftlag i den øvre atmosfære, i det interstellare rum eller i vakuumsystemer.