MIT-ի ֆիզիկոսները նկարահանել են ազատ շարժվող ատոմների առաջին պատկերները

MIT-ի գիտնականները հասել են ատոմային պատկերահանման առաջընթացին

Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի (MIT) ֆիզիկոսները հասել են հեղափոխական առաջընթացի՝ նկարահանելով ազատ շարժվող ատոմների առաջին պատկերները: Այս նորարարական զարգացումը գիտնականներին թույլ է տալիս ուղղակիորեն դիտարկել քվանտային երևույթները իրական տարածքում, ինչը նախկինում հնարավոր էր միայն տեսականորեն: Արդյունքները հրապարակվել են Physical Review Letters գիտական ամսագրում և ներկայացնում են քվանտային մեխանիկայի ոլորտում նշանակալի առաջընթաց:

Նորարարական պատկերահանման տեխնիկա

Հետազոտական թիմը, որը գլխավորում է MIT-ի ֆիզիկայի պրոֆեսոր Մարտին Ցվերլայնը, մշակել է նոր պատկերահանման տեխնիկա՝ այս առաջընթացը իրականացնելու համար: Գործընթացը ներառում է ատոմների ամպի ազատ շարժում և փոխազդեցություն, այնուհետև նրանց սառեցում լույսի ցանցի միջոցով: Հատուկ կարգավորված լազերը լուսավորում է սառեցված ատոմները՝ ստեղծելով նրանց դիրքերի պատկերը: Այս մեթոդը, որը կոչվում է «ատոմային լուծաչափով միկրոսկոպիա», աննախադեպ մանրամասներ է բացահայտում ատոմային փոխազդեցությունների մասին:

«Մենք կարողանում ենք տեսնել ատոմների առանձին մասնիկները այս հետաքրքիր ամպերում և նրանց փոխազդեցությունները, ինչը հիասքանչ է», – նշել է Ցվերլայնը: Այս տեխնիկան հաղթահարում է ատոմային պատկերահանման նախկին սահմանափակումները, որոնք կարող էին միայն ցույց տալ ատոմային ամպի ընդհանուր ձևը և կառուցվածքը, բայց ոչ առանձին ատոմները:

Քվանտային երևույթների դիտարկում

MIT-ի թիմը օգտագործել է իրենց պատկերահանման մեթոդը՝ տարբեր տեսակի ատոմների փոխազդեցությունները պատկերելու համար՝ հասնելով մի շարք առաջինների ատոմային պատկերահանման մեջ: Նրանք դիտարկել են քվանտային վարքագծեր, ինչպիսիք են բոզոնների խմբավորումը և ֆերմիոնների զույգավորումը, որոնք հիմնարար են քվանտային մեխանիկայի ըմբռնման համար:

Բոզոնները, ինչպիսիք են ֆոտոնները, հակված են գրավել և «խմբավորվել»՝ ձևավորելով ալիքաձև քվանտային վիճակ: Հետազոտողները պատկերահանել են նատրիումի ատոմներից բաղկացած բոզոնների ամպը և առաջին անգամ ուղղակիորեն դիտարկել այս խմբավորման վարքագիծը: Այս երևույթը դե Բրոյլի ալիքի հիպոթեզի ուղղակի հետևանքն է, որը հիմք է հանդիսանում ժամանակակից քվանտային մեխանիկայի համար:

Մեկ այլ փորձի ընթացքում թիմը պատկերահանել է լիթիումի ատոմներից բաղկացած ֆերմիոնների ամպը: Ի տարբերություն բոզոնների, ֆերմիոնները վանում են իրենց տեսակին, բայց կարող են զույգավորվել այլ ֆերմիոնների տեսակների հետ: Հետազոտողները նկարահանել են այս ֆերմիոնների զույգերը, ինչը գերհաղորդականության հիմնական մեխանիզմն է: «Այսպիսի զույգավորումը այն մաթեմատիկական կառուցվածքի հիմքն է, որը մարդիկ մշակել են փորձերը բացատրելու համար: Բայց երբ տեսնում եք այսպիսի նկարներ, դա ցույց է տալիս մաթեմատիկական աշխարհում հայտնաբերված օբյեկտը», – նշել է հետազոտության համահեղինակ Ռիչարդ Ֆլետչերը:

Համագործակցություն և լայն ազդեցություն

Հետազոտությունը համահեղինակել են MIT-ի ասպիրանտներ Ռուիշիաո Յաոն, Սունջաե Չին և Մինգսյուան Վանգը, ինչպես նաև Ֆլետչերը: Հետազոտությունը ֆինանսավորվել է մի շարք հաստատությունների կողմից, ներառյալ Ազգային գիտական հիմնադրամը, Ռազմաօդային ուժերի գիտական հետազոտությունների գրասենյակը և Էներգետիկայի դեպարտամենտը:

Physical Review Letters ամսագրի նույն համարում երկու այլ հետազոտական խմբեր նույնպես ներկայացրել են նմանատիպ պատկերահանման առաջընթացներ: Նոբելյան մրցանակակիր Վոլֆգանգ Կետերլեի գլխավորած թիմը պատկերահանել է բոզոնների զույգերի ուժեղացված փոխկապակցվածությունները, իսկ Փարիզի École Normale Supérieure-ի թիմը պատկերահանել է չփոխազդող ֆերմիոնների ամպը:

Քվանտային հետազոտությունների ապագա ուղղությունները

Այս պատկերահանման տեխնիկայի հաջողությունը բացում է դռներ ավելի էկզոտիկ և քիչ հասկացված քվանտային երևույթների ուսումնասիրության համար: MIT-ի թիմը պլանավորում է օգտագործել իրենց մեթոդը՝ ուսումնասիրելու «քվանտային Հոլլի ֆիզիկան», որտեղ փոխազդող էլեկտրոնները ցուցաբերում են նոր փոխկապակցված վարքագծեր մագնիսական դաշտի առկայության դեպքում: «Այստեղ տեսությունը դառնում է իսկապես բարդ. մարդիկ սկսում են նկարներ գծել, քանի որ չեն կարողանում ամբողջությամբ լուծել այն», – նշել է Ցվերլայնը: «Այժմ մենք կարող ենք ստուգել, թե արդյոք այս քվանտային Հոլլի վիճակների նկարները իրականում ճիշտ են»:

Այս հեղափոխական հետազոտությունը ոչ միայն խորացնում է մեր ըմբռնումը քվանտային մեխանիկայի մասին, այլև հիմք է դնում ոլորտում ապագա հայտնագործությունների համար: Ատոմային փոխազդեցությունները աննախադեպ մանրամասնությամբ պատկերելով՝ գիտնականները կարող են ավելի լավ հասկանալ քվանտային աշխարհի հիմնական սկզբունքները:

Աղբյուրներ՝ MIT News, Physical Review Letters