Fysikere griber individuelle atomer i banebrydende eksperiment

I en første for kvantefysik, University of Otago forskere har "holdt" individuelle atomer på plads og observeret tidligere usete komplekse atomare interaktioner.

Et utal af udstyr inklusive lasere, spejle, et vakuumkammer, og mikroskoper samlet i Otagos Institut for Fysik, plus en masse tid, energi, og ekspertise, har leveret ingredienserne til at undersøge denne kvanteproces, som indtil nu kun blev forstået gennem statistisk gennemsnit fra eksperimenter, der involverede et stort antal atomer.

Eksperimentet forbedrer den nuværende viden ved at tilbyde et hidtil uset indblik i den mikroskopiske verden, overraske forskere med resultaterne.

"Vores metode involverer individuel indfangning og afkøling af tre atomer til en temperatur på omkring en milliontedel af en Kelvin ved hjælp af højt fokuserede laserstråler i et hyperevakueret (vakuum) kammer, på størrelse med en brødrister. Vi kombinerer langsomt fælderne, der indeholder atomerne for at producere kontrollerede interaktioner, som vi måler, " siger lektor Mikkel F. Andersen fra Otagos Institut for Fysik.

Når de tre atomer nærmer sig hinanden, to danner et molekyle, og alle får et kick fra den energi, der frigives i processen. Et mikroskopkamera gør det muligt at forstørre og se processen.

"To atomer alene kan ikke danne et molekyle, det kræver mindst tre at lave kemi. Vores arbejde er første gang, denne grundlæggende proces er blevet studeret isoleret, og det viser sig, at det gav flere overraskende resultater, som ikke var forventet fra tidligere måling i store skyer af atomer, " siger postdoc-forsker Marvin Weyland, der stod i spidsen for eksperimentet.

For eksempel, forskerne var i stand til at se det nøjagtige resultat af individuelle processer, og observerede en ny proces, hvor to af atomerne forlader eksperimentet sammen. Indtil nu, dette detaljeringsniveau har været umuligt at observere i forsøg med mange atomer.

"Ved at arbejde på dette molekylære niveau, vi ved nu mere om, hvordan atomer kolliderer og reagerer med hinanden. Med udvikling, denne teknik kunne give en måde at bygge og kontrollere enkelte molekyler af bestemte kemikalier, " tilføjer Weyland.

Lektor Andersen indrømmer, at teknikken og detaljeringsgraden kan være svær at forstå for dem uden for kvantefysikkens verden, dog mener han, at anvendelserne af denne videnskab vil være nyttige i udviklingen af ​​fremtidige kvanteteknologier, der kan påvirke samfundet lige så meget som tidligere kvanteteknologier, der muliggjorde moderne computere og internettet.

"Forskning om at kunne bygge i mindre og mindre skala har drevet meget af den teknologiske udvikling gennem de seneste årtier. F.eks. det er den eneste grund til, at nutidens mobiltelefoner har mere computerkraft end supercomputere fra 1980'erne. Vores forskning forsøger at bane vejen for at kunne bygge i den mindst mulige skala, nemlig atomskalaen, og jeg er begejstret for at se, hvordan vores opdagelser vil påvirke teknologiske fremskridt i fremtiden, " siger lektor Andersen.

Forsøgsresultaterne viste, at det tog meget længere tid end forventet at danne et molekyle sammenlignet med andre eksperimenter og teoretiske beregninger, som i øjeblikket er utilstrækkelige til at forklare dette fænomen. Mens forskerne foreslår mekanismer, der kan forklare uoverensstemmelsen, de fremhæver et behov for yderligere teoretiske udviklinger inden for dette område af eksperimentel kvantemekanik.