Новая методика атомной микроскопии позволяет наблюдать квантовые явления в режиме реального времени

Группа учёных Массачусетского технологического института (MIT), возглавляемая профессором Мартином Цвирлейном, сообщила о значительном прорыве в области атомной микроскопии. Команда разработала новый метод визуализации отдельных атомов в облаках атомов, позволяющий наблюдать их взаимодействие в режиме реального времени. Этот метод, названный «атомно-разрешающей микроскопией», позволяет получать изображения, демонстрирующие квантовые явления на уровне отдельных атомов.

Суть метода заключается в следующем: сначала облако атомов помещается в ловушку, образованную лазерным лучом, где атомы могут свободно взаимодействовать. Затем включается оптическая решётка, которая на короткое время «замораживает» атомы в их текущем положении. После этого второй лазер освещает «замороженные» атомы, и их флуоресценция позволяет определить их индивидуальное положение. Главная сложность, по словам Цвирлейна, заключалась в том, чтобы собрать свет от атомов, не вызвав их испарение.

Используя эту методику, учёные смогли получить ряд уникальных изображений. В частности, им удалось непосредственно наблюдать бозоны, группирующиеся в квантовом явлении, формируя волну, а также фермионы, образующие пары в свободном пространстве – ключевой механизм, лежащий в основе сверхпроводимости. Эти наблюдения подтвердили теоретические предсказания о поведении бозонов и фермионов, в том числе, предсказание Луи де Бройля о волновой природе материи.

В том же журнале были опубликованы работы других групп, использующих схожие методы визуализации, в том числе команды под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле (также MIT) и группы из Высшей нормальной школы в Париже под руководством Тарика Ефсаха. Группа Кеттерле визуализировала усиленные парные корреляции среди бозонов, а парижская группа — облако невзаимодействующих фермионов.

Работа Цвирлейна и его коллег является значительным шагом вперёд в понимании квантовых явлений. Разработанная методика позволяет не только наблюдать общую форму облака атомов, как это делалось ранее с помощью методов абсорбционной визуализации, но и видеть отдельные атомы и их взаимодействие, что открывает новые возможности для исследования сложных квантовых систем.

В будущем команда планирует применить свою методику для визуализации более экзотических и менее изученных явлений, таких как квантовая физика Холла, что позволит проверить существующие теоретические модели и получить новые экспериментальные данные. Это открывает перспективы для более глубокого понимания квантовых явлений и разработки новых технологий, основанных на квантовых принципах.

 Источник: Physical Review Letters, Изображение