Почему эта фотография атома является научным чудом

Пять лет назад одному ученому удалось то, что до него не удавалось никому другому: сфотографировать отдельный атом. Это захватывающее дух изображение получило главный приз за научную фотографию, организованный Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (Соединенное Королевство). Как этот прорыв повлиял на науку?

Что такое атомы?

Атомы состоят из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и электронов, вращающихся вокруг ядра. Напомним, что протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, а нейтроны не имеют заряда.

Атомы классифицируются по количеству протонов, что определяет их химический элемент. Существует более ста различных химических элементов, начиная с водорода, самого простого, и заканчивая оганессоном, самым сложным. Эти элементы могут соединяться, образуя молекулы. Другими словами, атомы - это основные единицы материи. Из них состоит все, что мы можем видеть, — от воздуха, которым мы дышим, до самых больших галактик во Вселенной. Поэтому их изучение крайне важно.

Однако эта работа особенно трудна, поскольку атомы невероятно малы - всего несколько десятых долей нанометра в диаметре (нанометр равен одной миллиардной части метра). Для манипулирования ими физики используют электромагнитные поля. Однако долгое время исследователи анализировали их "по пакетам", отсюда и интерес к этой невероятной фотографии физика Дэвида Нэдлингера, сделанной в рамках его исследований квантовой физики в Оксфордском университете. На фотографии изображен один атом стронция.

Настоящий технический подвиг

Чтобы сделать этот снимок, атом сначала охладили до очень низкой температуры с помощью лазера, а затем захватили магнитными полями, которые удерживали его на месте. Затем одноионная камера была использована для освещения атома пучком ионов, чтобы сделать его видимым. На фотографии он выглядит как маленькая ярко-синяя точка, подвешенная в вакууме между двумя электродами.

Обратите внимание, что фотография была сделана в черно-белом варианте. Затем она была раскрашена, чтобы лучше выделить атом стронция. Кроме того, на фотографии не видно непосредственно ядра атома. Это связано с тем, что только электроны, которые находятся в быстром движении вокруг ядра, могут взаимодействовать со светом и создавать видимое изображение. Поэтому на фотографии видно облако электронов вокруг ядра, а не само ядро.

Почему выбрали стронций?

Физик выбрал стронций по нескольким причинам. Во-первых, это относительно распространенный в природе элемент, что делает его практичным выбором для экспериментов по квантовой физике. Во-вторых, стронций - это элемент, который хорошо подходит для экспериментов по охлаждению, что необходимо для улавливания одного атома. Охлаждение замедляет движение атома и удерживает его на месте.

Наконец, стронций - интересный элемент для исследований в области квантовой физики, поскольку он имеет несколько изотопов, то есть различные формы элемента с разным числом нейтронов. Это позволяет физикам проводить сравнительные эксперименты для изучения квантовых свойств каждой конфигурации.

Каковы последствия для науки?

После публикации эта фотография победила в конкурсе научной фотографии EPSRC, и признание было вполне заслуженным. Физики давно ищут способы манипулировать отдельными атомами, чтобы изучать их и использовать в таких приложениях, как квантовые вычисления (форма вычислений, основанная на принципах квантовой механики, которая позволяет выполнять вычисления гораздо быстрее, чем современные классические компьютеры). Поэтому фотография стала доказательством того, что такие манипуляции теперь возможны.

Фотография также получила высокую оценку за ее невероятную способность передать красоту науки и "придать лицо" квантовой физике. С тех пор фотография стала известной во всем мире и вызвала энтузиазм к этой особенно странной и сложной области исследований. С тех пор были достигнуты значительные успехи в манипулировании и управлении отдельными атомами с помощью все более точных экспериментов.