Aby sme pochopili, ako sa atómy spájajú a vytvárajú molekuly, musíme ich chytiť v akcii. Aby to však bolo možné urobiť, musia fyzici nechať atómy zastaviť dosť dlho na to, aby bolo možné zaznamenať ich interakcie.
Nie je to ľahká úloha, ale podarilo sa to fyzikom z Otagskej univerzity.
Zatiaľ najlepším spôsobom, ako porozumieť zložitostiam rôznych interakcií atómov, bol výpočet korelácií na základe stredných hodnôt medzi zhlukom častíc.
Táto crowdsourcingová verzia atómovej technológie poskytuje množstvo užitočných vied, ale nedokáže pochopiť kľúčové podrobnosti kolízie a drviacich kolízií medzi jednotlivými časticami, ktoré spôsobujú rozptýlenie a zlúčenie ostatných.
Aj keď sa vám podarí zachytiť niekoľko atómov v rovnakom priestore, každá kolízia môže spôsobiť, že sa atómy z vášho experimentu dostanú.
Jedným zo spôsobov, ako analyzovať takéto zrážky, je chytiť izolované atómy ekvivalentné malému páru pinzety, držať ich nehybne a zaznamenávať zmeny, keď prídu.
Našťastie takáto pinzeta existuje. Tieto laserové kliešte sú vyrobené zo špeciálne nasmerovaného polarizovaného svetla a môžu pôsobiť ako optické lapače drobných predmetov.
Vzhľadom na relatívne krátke vlnové dĺžky svetla má experimentátor veľkú šancu zachytiť niečo také maličké ako jeden atóm. Najprv musíte samozrejme ochladiť atómy, aby sa ľahšie zachytili, a potom ich vybrať na prázdnom mieste.
Mikkel Andersen (vľavo) a Marvin Weiland vo fyzikálnom laboratóriu.
Znie to ľahko. Tento proces si však vyžaduje správnu technológiu a veľa trpezlivosti.
„Naša metóda spočíva v individuálnom zachytávaní a ochladzovaní troch atómov na asi jednu milióntinu Kelvina pomocou vysoko zameraných laserových lúčov v hypervakuovej (vákuovej) komore o veľkosti hriankovača,“ hovorí fyzik Mikkel F. Andersen.
„Pomaly kombinujeme pasce obsahujúce atómy, aby sme vytvorili kontrolované interakcie, ktoré meriame.“
V tomto prípade boli všetky atómy odrodami rubídia, ktoré sa viažu na molekuly dirubídia, ale dva atómy samotné na dosiahnutie tohto cieľa nestačia.
„Dva atómy nemôžu tvoriť molekulu; chémia vyžaduje najmenej tri,“ tvrdí fyzik Marvin Weiland.
Modelovanie toho, ako sa to stane, je skutočnou výzvou. Je zrejmé, že dva atómy sa musia dostatočne zblížiť, aby vytvorili väzbu, zatiaľ čo tretí odoberá časť tejto energie väzby, aby ich nechal viazané.
Vypracovať matematiku o tom, ako sa len dva atómy stretnú, aby vytvorili molekulu, je ťažké. Zohľadnenie všetkých krokov môže byť nočnou morou.
Teoreticky by ich rekombinácia troch telies medzi atómami mala prinútiť opustiť pascu, čo pre fyzikov, ktorí sa snažia študovať interakcie medzi viacerými atómami, zvyčajne predstavuje ďalší problém.
Pomocou špeciálnej kamery na pozorovanie zmien tím zachytil okamih, kedy sa častice rubídia priblížili k sebe a zistili, že rýchlosť straty nebola taká vysoká, ako sa očakávalo.
To v skutočnosti tiež znamená, že molekuly sa nezhromažďovali tak rýchlo, ako by to mohli vysvetliť existujúce modely.
Niečo o obmedzovaní atómov a kvantových efektoch krátkeho dosahu môže pomôcť vysvetliť túto pomalosť, ale skutočnosť, že je to neočakávané, znamená, že týmto procesom možno preskúmať veľa fyziky.
„S vývojom by táto technika mohla poskytnúť spôsob vytvárania a kontroly jednotlivých molekúl určitých chemikálií.“
Ďalšie experimenty pomôžu vylepšiť tieto modely, aby lepšie vysvetlili, ako skupiny atómov spolupracujú, aby sa stretli a spojili za rôznych podmienok.
Vo svete neustále sa vyvíjajúcich technológií nie je ťažké predstaviť si potrebu procesov, v ktorých sa mikroskopické obvody a pokrokové lieky budujú atóm po atóme, jedna zlúčenina po druhej.
„Náš výskum sa snaží pripraviť pôdu pre schopnosť budovať vo veľmi malom meradle, konkrétne v atómovom meradle, a som veľmi nadšený, keď vidím, ako naše objavy ovplyvnia technologický pokrok v budúcnosti,“ hovorí Andersen.
Tento výskum bol publikovaný v časopise Physical Review Letters.
Zdroje: Foto: University of Otago
