Jotta ymmärtäisimme, kuinka atomit yhdistyvät molekyylien muodostamiseksi, meidän on tartuttava niihin toimintaan. Mutta tätä varten fyysikkojen on saatettava atomit pysähtymään riittävän kauan, jotta niiden vuorovaikutus voidaan tallentaa.
Tämä ei ole helppo tehtävä, mutta sen onnistui Otagon yliopiston fyysikot.
Toistaiseksi paras tapa ymmärtää atomien erilaisten vuorovaikutusten monimutkaisuus on ollut laskea korrelaatiot hiukkasjoukon keskiarvojen perusteella.
Tämä joukko hankittua atomiteknologian versiota tarjoaa paljon hyödyllistä tiedettä, mutta ei ymmärrä tärkeimpiä yksityiskohtia törmäyksestä ja yksittäisten hiukkasten välisten törmäysten törmäyksestä, jotka saavat muut sirottamaan ja sulautumaan.
Vaikka onnistuisitkin kaappaamaan useita atomeja samaan tilaan, jokainen törmäys voi aiheuttaa atomien poistumisen kokeilustasi.
Yksi tapa analysoida tällaisia törmäyksiä on tarttua eristettyihin atomeihin, jotka vastaavat pieniä pinsettejä, pitää niitä paikallaan ja tallentaa muutokset niiden tullessa.
Onneksi tällainen pinsetti on olemassa. Erityisesti kohdistetusta polarisoidusta valosta valmistetut laserpihdit voivat toimia optisina ansana pienille esineille.
Kun otetaan huomioon suhteellisen lyhyet valon aallonpituudet, kokeilijalla on hyvät mahdollisuudet tarttua jotain niin pientä kuin yksi atomi. Tietenkin sinun on ensin jäähdytettävä atomeja, jotta niitä on helpompi siepata, ja valita ne sitten tyhjään tilaan.
Mikkel Andersen (vasemmalla) ja Marvin Weiland fysiikan laboratoriossa.
Se kuulostaa helposti. Mutta prosessi vaatii oikean tekniikan ja paljon kärsivällisyyttä.
“Menetelmämme sisältää kolmen atomin sieppaamisen ja jäähdyttämisen yksittäin noin miljoonasosaan Kelviniin käyttämällä erittäin tarkennettuja lasersäteitä leivänpaahtimen kokoisissa alipaine- (tyhjiö) kammioissa”, sanoo fyysikko Mikkel F. Andersen.
“Yhdistämme hitaasti atomeja sisältävät ansat tuottaaksemme kontrolloituja vuorovaikutuksia, joita mitataan.”
Tässä tapauksessa kaikki atomit olivat rubidium-lajikkeita, jotka sitoutuivat muodostamaan dirubidium-molekyylejä, mutta kaksi atomia yksin eivät riitä tämän saavuttamiseksi.
“Kaksi atomia ei voi muodostaa molekyyliä; kemia vaatii vähintään kolme”, sanoo fyysikko Marvin Weiland.
Mallintaminen, miten tämä tapahtuu, on todellinen haaste. Kahden atomin on selvästikin päästävä tarpeeksi lähelle muodostamaan sidos, kun taas kolmas ottaa osan sidosenergiasta pois jättäen ne sitoutuneiksi.
Matematiikan selvittäminen siitä, kuinka vain kaksi atomia kohtaavat molekyylin rakentamiseksi, on vaikeaa. Kaikkien toimien huomioon ottaminen voi olla painajainen.
Teoriassa kolmen ruumiin yhdistämisen atomien välillä pitäisi pakottaa heidät poistumaan ansasta, mikä yleensä lisää toisen ongelman fyysikoille, jotka yrittävät tutkia useiden atomien välistä vuorovaikutusta.
Erikoiskameralla tarkkailemaan muutoksia, joukkue otti hetken, kun rubidiumhiukkaset lähestyivät toisiaan ja havaitsivat, että menetysnopeus ei ollut niin korkea kuin odotettiin.
Todellisuudessa tämä tarkoittaa myös sitä, että molekyylit eivät kokoontuneet niin nopeasti kuin nykyiset mallit saattavat selittää.
Jotain atomien rajoittamisesta ja kvantti-lyhyen kantaman vaikutuksista voi auttaa selittämään tämän hitauden, mutta se, että tämä on odottamatonta, tarkoittaa, että tämän prosessin avulla voidaan tutkia paljon fysiikkaa.
“Kehityksen myötä tämä menetelmä voi tarjota tavan luoda ja hallita tiettyjen kemikaalien yksittäisiä molekyylejä.”
Lisäkokeet auttavat tarkentamaan näitä malleja selittämään paremmin, kuinka atomiryhmät toimivat yhdessä tavatakseen ja sitoutuakseen erilaisissa olosuhteissa.
Jatkuvasti kehittyvän tekniikan maailmassa ei ole vaikea kuvitella tarvetta prosesseille, jotka rakentavat mikroskooppisia piirejä ja kehittyneitä lääkkeitä atomi kerrallaan, yksi yhdiste kerrallaan.
“Tutkimuksemme yrittää tasoittaa tietä kyvylle rakentaa hyvin pienessä mittakaavassa, nimittäin atomimittakaavassa, ja olen erittäin innoissani siitä, kuinka löydöksemme vaikuttavat tulevaisuuden teknologiseen kehitykseen”, Andersen sanoo.
Tämä tutkimus julkaistiin julkaisussa Physical Review Letters.
Lähteet: Kuva: Otagon yliopisto
