Ny metode måler 3D-positionen af ​​individuelle atomer

I mere end et årti har det været muligt for fysikere at måle de enkelte atomers placering nøjagtigt med en præcision mindre end en tusindedel af en millimeter ved hjælp af en speciel type mikroskop. Denne metode har dog indtil videre kun givet x- og y-koordinaterne. Information om atomets lodrette position mangler.

Der er nu udviklet en ny metode, der kan bestemme alle tre rumlige koordinater for et atom med ét enkelt billede. Denne metode – udviklet af University of Bonn og University of Bristol – er baseret på et genialt fysisk princip. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review A .

Enhver, der har brugt et mikroskop i en biologitime til at studere en plantecelle, vil sandsynligvis kunne huske en lignende situation. Det er let at se, at en bestemt kloroplast er placeret over og til højre for kernen.

Men er de begge placeret på samme plan? Når du har justeret fokus på mikroskopet, ser du dog, at billedet af kernen bliver skarpere, mens billedet af kloroplasten sløres. En af dem skal være lidt højere, og en lidt lavere end den anden. Denne metode kan dog ikke give os præcise detaljer om deres lodrette positioner.

Princippet ligner meget, hvis du vil observere individuelle atomer i stedet for celler. Såkaldt kvantegasmikroskopi kan anvendes til dette formål. Det giver dig mulighed for at bestemme x- og y-koordinaterne for et atom ligetil. Det er dog meget sværere at måle dens z-koordinat, dvs. afstanden til objektivlinsen:For at finde ud af, i hvilket plan atomet befinder sig, skal der tages flere billeder, hvor fokus flyttes på tværs af forskellige planer .

Dette er en kompleks og tidskrævende proces.

Vende runde pletter til håndvægte

"Vi har nu udviklet en metode, hvor denne proces kan gennemføres i ét trin," forklarer Tangi Legrand fra Institute of Applied Physics (IAP) ved universitetet i Bonn. "For at opnå dette bruger vi en effekt, som allerede har været kendt i teorien siden 1990'erne, men som endnu ikke var blevet brugt i et kvantegasmikroskop."

For at eksperimentere med atomerne er det først nødvendigt at køle dem betydeligt ned, så de knap bevæger sig. Bagefter er det for eksempel muligt at fange dem i en stående bølge af laserlys. De glider derefter ind i bølgedalene, på samme måde som æg sidder i en æggekasse.

Når de er fanget, bliver de udsat for en ekstra laserstråle for at afsløre deres position, som stimulerer dem til at udsende lys. Den resulterende fluorescens viser sig i kvantegasmikroskopet som en let sløret, rund plet.

"Vi har nu udviklet en speciel metode til at deformere bølgefronten af ​​lyset, der udsendes af atomet," forklarer Dr. Andrea Alberti. Forskeren, der nu er flyttet fra IAP til Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, deltog også i undersøgelsen.

"I stedet for de typiske runde pletter producerer den deformerede bølgefront en håndvægtform på kameraet, der roterer rundt om sig selv. Retningen, som denne håndvægt peger i, afhænger af den afstand, som lyset skulle rejse fra atomet til kameraet."

"Handvægten fungerer således lidt som nålen på et kompas, og giver os mulighed for at aflæse z-koordinaten i henhold til dens orientering," siger prof. Dr. Dieter Meschede. IAP-forskeren, hvis forskergruppe har udført undersøgelsen, er også medlem af det tværfaglige forskningsområde "Matter" ved universitetet i Bonn.

Vigtigt for kvantemekaniske eksperimenter

Den nye metode gør det muligt præcist at bestemme et atoms position i tre dimensioner med et enkelt billede. Dette er vigtigt, for eksempel, hvis du vil udføre kvantemekaniske eksperimenter med atomer, fordi det ofte er essentielt at kunne kontrollere eller spore deres position præcist. Dette giver forskere mulighed for at få atomerne til at interagere med hinanden på den ønskede måde.

Desuden vil metoden også kunne bruges til at hjælpe med at udvikle nye kvantematerialer med særlige egenskaber. "For eksempel kunne vi undersøge, hvilke kvantemekaniske effekter der opstår, når atomer er arrangeret i en bestemt rækkefølge," forklarer Dr. Carrie Weidner fra University of Bristol. "Dette ville tillade os at simulere egenskaberne af tredimensionelle materialer til en vis grad uden at skulle syntetisere dem."

Flere oplysninger: Tangi Legrand et al., Tredimensionel billeddannelse af enkelte atomer i et optisk gitter via spiralpunktspredningsfunktionsteknik, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.033304. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.05341

Leveret af University of Bonn