Американские исследователи впервые зафиксировали на камеру поведение отдельных атомов, свободно перемещающихся в пространстве без внешних ограничений. Это достижение открывает принципиально новые возможности для изучения фундаментальных квантовых явлений. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Для получения таких снимков команда физиков из Массачусетского технологического института разработала уникальную систему «атомно-разрешающей микроскопии». Она позволяет сначала удерживать атомы в слабо ограниченном облаке, а затем буквально «замораживать» их положение с помощью лазерного света, чтобы зафиксировать точную пространственную конфигурацию.
«Мы можем наблюдать отдельные атомы в действии, отслеживать их поведение и взаимодействие — это редкая возможность увидеть квантовую механику вживую», — объясняет Мартин Цвирлейн, соавтор исследования.
Почему это важно?
До сих пор визуализация атомных систем ограничивалась усреднёнными снимками: учёные могли наблюдать форму и плотность атомных облаков, но не структуры на уровне отдельных частиц. Новая технология позволяет перейти от макроскопической картины к конкретным квантовым конфигурациям — с точностью до одного атома.
На полученных изображениях учёные зафиксировали сразу несколько предсказанных ранее, но слабо исследованных эффектов. Среди них — волна де Бройля, квантовое состояние, в котором атомы начинают группироваться, действуя как единый ансамбль. Также наблюдались противоположные — антигрупповые — конфигурации.
Кроме того, исследователи детально проанализировали образование конденсата Бозе — Эйнштейна, состояния вещества, при котором бозоны (один из типов элементарных частиц) объединяются в сверхупорядоченную систему. Это ключевой объект квантовой статистики, имеющий прямое отношение к явлениям сверхтекучести и сверхпроводимости.
Новый взгляд на квантовую реальность
Точность новой методики открывает путь к изучению еще более тонких и редких явлений, ранее доступных лишь через косвенные измерения. В частности, речь идет о квантовом эффекте Холла, при котором электроны демонстрируют нестандартное поведение под воздействием магнитных полей — искажение траекторий, квантование проводимости и формирование топологических состояний материи.
«Когда вы видите такие фотографии, вы буквально наблюдаете физическое воплощение математических моделей, — отмечает физик Ричард Флетчер. — Это не абстракция, это наглядное подтверждение, что квантовая физика описывает реальные объекты и процессы».
Технологический прорыв
Размер атома — около 0,1 нанометра, в миллион раз меньше толщины человеческого волоса. Зафиксировать такую частицу в динамике — сложнейшая задача, требующая исключительно высокой чувствительности и прецизионного контроля. Теперь эта задача решена: физики могут отслеживать не только коллективное поведение атомных систем, но и точечные взаимодействия — в реальном времени и в реальном пространстве.
На следующем этапе команда планирует использовать эту методику для исследования более сложных квантовых систем и поиска новых состояний материи, выходящих за рамки традиционных моделей. Речь идет не просто о подтверждении известных теорий — а о создании основы для квантовых технологий будущего.