Fyzici ukázali správanie atómov, ktoré predtým nikto nevidel: Vedci zachytili voľne sa pohybujúce atómy v reálnom čase!
Fyzici z MIT zachytili prvé obrázky voľne sa pohybujúcich atómov, čím otvárajú nové možnosti pre kvantové pozorovanie a technológie.
Fyzici z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) dosiahli významný pokrok v kvantovej fyzike, po prvýkrát sa im podarilo vizuálne zachytiť jednotlivé atómy pohybujúce sa voľne v priestore, bez akýchkoľvek obmedzení. Výsledky tohto prelomového experimentu boli publikované v renomovanom časopise Physical Review Letters.
Pomocou novej zobrazovacej techniky vedci dokázali pozorovať správanie atómov v reálnom čase. Tieto snímky sú nielen vedecky cenné, ale aj vizuálne fascinujúce, ukazujú správanie, ktoré fyzici doteraz poznali len z teórie alebo matematických modelov.
Ako funguje mikroskopia na úrovni atómov?
Kľúčom k úspechu bola špeciálna metóda zvaná atom-resolved microscopy. Najprv vedci vytvorili oblak atómov, ktoré sa mohli slobodne pohybovať a interagovať. Potom tento pohyb „zmrazili“ pomocou optickej mriežky, svetelného poľa vytvoreného laserom, ktoré atómy zastaví v konkrétnych pozíciách. V tej chvíli boli častice nasvietené ďalším laserom, čo spôsobilo ich fluorescenciu a umožnilo zachytiť ich presnú polohu.
Tento proces je mimoriadne citlivý. Ak by vedci použili príliš intenzívne svetlo, atómy by z mriežky jednoducho „vyvreli“. Preto museli vyladiť celý systém tak, aby získali jasný obraz bez narušenia prirodzeného správania častíc.
Bosóny, fermióny a ich kvantové triky
Tím sa zameral na dva základné typy častíc, bosóny (napríklad sodíkové atómy) a fermióny (napríklad lítiové atómy). Bosóny sa správajú ako „kolektívne“ častice, pri dostatočne nízkej teplote vytvárajú Boseho–Einsteinov kondenzát, kde všetky zdieľajú tú istú kvantovú vlnu.
Neprehliadni
Vedci priamo zaznamenali ich „zhlukovanie“, ktoré je dôkazom toho, že bosóny preferujú byť blízko pri sebe. Naopak, fermióny sa spravidla odpudzujú, no ak sú v rôznych spinových stavoch, môžu vytvárať páry, presne ako v supravodivých materiáloch. Tím z MIT toto správanie prvýkrát priamo pozoroval.
Physicists snap the first images of ‚free-range‘ atoms – https://t.co/kudfgq3f2v pic.twitter.com/T0SxVA9XXG
— Eyes to the Stars (@Eyes2TheStars) May 5, 2025
De Broglieho vlna konečne naživo
Dôležitým javom, ktorý sa podarilo vizualizovať, bola takzvaná de Broglieho vlna, teda kvantový efekt, pri ktorom sa častica správa ako vlna. Tento koncept zaviedol francúzsky fyzik Louis de Broglie v 20. rokoch minulého storočia, čím položil základy modernej kvantovej mechaniky. Až doteraz však tento jav nebolo možné vidieť v takejto forme.
„Keď človek vidí obraz niečoho, čo bolo dlhé roky len matematickým modelom, je to silný moment. Ukazuje to, že fyzika nie je len o rovniciach, ale o reálnych veciach,“ hovorí Richard Fletcher, spoluautor štúdie.
Výskum, ktorý mení pravidlá hry
Vďaka tejto technike môžu vedci skúmať ďalšie, omnoho zložitejšie kvantové javy, ako napríklad kvantovú Hallovu fyziku, kde elektróny pod vplyvom magnetického poľa vytvárajú extrémne neintuitívne stavy hmoty. Táto nová technika zároveň otvára dvere k vývoju nových technológií, ktoré by mohli zásadne zmeniť našu schopnosť manipulovať s kvantovými systémami.
Zároveň táto technológia otvára dvere k praktickému využitiu, lepšie pochopenie kvantového správania môže viesť k pokroku v kvantových počítačoch, nových materiáloch či ešte presnejších senzoroch.
Ak sme si doteraz mysleli, že svet atómov je neprístupný bežnému pozorovaniu, tento výskum to definitívne vyvracia. Kvantová realita sa tak po rokoch „skrývania“ dostáva priamo pred naše oči, znamená to novú éru pre vedu a technológie?
Komentáre