Da bi razumeli, kako se atomi združujejo in tvorijo molekule, jih moramo ujeti v akciji. Toda za to morajo fiziki poskrbeti, da se atomi ustavijo dovolj dolgo, da se zabeležijo njihove interakcije.
To ni lahka naloga, a so jo nasledili fiziki z univerze v Otagu.
Doslej je bil najboljši način za razumevanje zapletenosti različnih interakcij atomov izračun korelacij na podlagi povprečnih vrednosti med skupkom delcev.
Ta različica atomske tehnologije, ki jo izvaja množica, ponuja veliko uporabne znanosti, vendar ne razume ključnih podrobnosti trkov in drobljenja trkov med posameznimi delci, zaradi katerih se drugi razpršijo in združijo.
Tudi če vam uspe zajeti več atomov v istem prostoru, lahko vsako trčenje povzroči, da atomi uidejo iz vašega eksperimenta.
Eden od načinov za analizo takšnih trkov je, da zgrabimo izolirane atome z enakovrednim drobnim parom pincete, jih držimo pri miru in zabeležimo spremembe, ko pridejo.
Na srečo takšna pinceta obstaja. Izdelane iz posebej poravnane polarizirane svetlobe, lahko te laserske klešče delujejo kot optični pasti za drobne predmete.
Glede na razmeroma kratke valovne dolžine svetlobe ima eksperimentator veliko možnosti, da ujame nekaj tako majhnega, kot je en sam atom. Seveda morate najprej ohladiti atome, da jih je lažje ujeti, nato pa jih izbrati v praznem prostoru.
Mikkel Andersen (levo) in Marvin Weiland v fizikalnem laboratoriju.
Sliši se enostavno. Toda postopek zahteva pravo tehnologijo in veliko potrpljenja.
“Naša metoda vključuje posamično zajemanje in hlajenje treh atomov na temperaturo približno milijontega Kelvina z uporabo visoko fokusiranih laserskih žarkov v hipervakuumski (vakuumski) komori velikosti opekača,” pravi fizik Mikkel F. Andersen.
“Počasi kombiniramo pasti, ki vsebujejo atome, da dobimo nadzorovane interakcije, ki jih merimo.”
V tem primeru so bili vsi atomi sorte rubidija, ki se vežejo in tvorijo molekule dirubidija, vendar samo dva atoma za to ne zadostita.
“Dva atoma ne moreta tvoriti molekule; kemija zahteva vsaj tri,” pravi fizik Marvin Weiland.
Modeliranje, kako se to zgodi, je resničen izziv. Jasno je, da se morata dva atoma približati dovolj, da tvorita vez, tretji pa ji odvzame nekaj energije, da ostane vezan.
Težko je razviti matematiko, kako se samo dva atoma združita, da bi zgradili molekulo. Upoštevanje vseh dejanj je lahko nočna mora.
Teoretično bi jih morala rekombinacija treh teles med atomi prisiliti, da zapustijo past, kar fizikom, ki poskušajo preučevati interakcije med več atomi, običajno doda še en problem.
Z uporabo posebne kamere za opazovanje sprememb je ekipa posnela trenutek, ko so se delci rubidija približali drug drugemu, in ugotovila, da stopnja izgube ni bila tako visoka, kot je bilo pričakovano.
V resnici to pomeni tudi, da se molekule niso sestavile tako hitro, kot bi lahko razložili obstoječi modeli.
Nekaj o omejevanju atomov in kvantnih učinkih kratkega dosega lahko pomaga razložiti to počasnost, toda dejstvo, da je to nepričakovano, pomeni, da je skozi ta postopek mogoče raziskati veliko fizike.
“Z razvojem bi ta tehnika lahko omogočila ustvarjanje in nadzor posameznih molekul nekaterih kemikalij.”
Nadaljnji poskusi bodo pomagali izboljšati te modele, da bodo bolje razložili, kako skupine atomov sodelujejo, da se srečajo in povežejo v različnih pogojih.
V svetu, ki se vedno bolj izboljšuje, si ni težko predstavljati potrebe po procesih, v katerih se mikroskopska vezja in napredna zdravila gradijo atom za atomom, ena po ena spojina.
“Naše raziskave skušajo utirati pot sposobnosti gradnje v zelo majhnem obsegu, in sicer na atomski lestvici, in zelo sem navdušen, ko vidim, kako bodo naša odkritja vplivala na tehnološki napredek v prihodnosti,” pravi Andersen.
Ta raziskava je bila objavljena v Physical Review Letters.
Viri: Foto: Univerza v Otagu
