Første direkte observation af atomer i gassen

Adfærdsmæssige særegenheder ved de enkelte atomer kunne afsløre mere om superledere

Forskere har først observeret opførsel af individuelle kaliumatomer i en ultrakold gas. © Christine Daniloff / MIT
læst op

Eigenbrödler og Paarbildner: For første gang har det lykkedes forskere at observere adfærd hos individuelle atomer i en ultrakold gas. Der var spændende særegenheder: Nogle atomer opførte sig temmelig usociale og hævdede deres personlige frihed. Andre dannede på den anden side par og endda tårne. Disse observationer kunne hjælpe med til bedre at forstå processerne i superledere, forklarer fysikerne i tidsskriftet "Science".

Direkte observation af individuelle atomer er ikke en let opgave. Selvom scanning af tunneling eller atomkraftmikroskop indikerer arrangeringen af ​​atomer i en overflade, var et tredimensionelt billede af deres position først for omkring et år siden. Men det er endnu sværere at finde atomer i en gas. For på grund af den molekylære bevægelse bevæger de sig konstant rundt og vil derfor i bedste fald fremstå som sløret skemaer.

Nu er det imidlertid lykkedes Lawrence Cheuk fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) og hans kolleger for første gang at observere enkelt kaliumatomer i en gas. Deres trick: De afkølede gassen ned til et par nanometer over absolut nul. Dette bremsede atombevægelsen. Derudover låste de dem i et optisk gitter af laserstråler og observerede deres interaktion med et specielt mikroskop.

Eigenbrödler på den tynde kant

Det viste: Nogle atomer i den tynde kant af gasskyen opførte sig ganske antisociale. De forblev isoleret i deres optiske bure og holdt altid afstand fra deres "kolleger". ”De skabte et lille rum til sig selv. At finde et andet atom i dette rum var meget usandsynligt, ”siger seniorforfatter Martin Zwierlein fra MIT.

Imidlertid er denne opførsel i tråd med forventningerne. Fordi fysikeren Enrico Fermi indså, gælder Pauli-princippet, der oprindeligt var formuleret til elektroner, også for atomer. Det sikrer, at atomer med ellers identiske egenskaber altid holder en vis afstand mellem dem. udstilling

"Sackhüpfende" atomer

Atomenes opførsel under komprimering af skyen var imidlertid markant mere overraskende. Nu havde kaliumpartiklerne en tendens til at klumpe sig sammen. Nogle bevægede sig tæt sammen i deres nærliggende laserbur og dannede par. Deres spin viste i den modsatte retning. "Dette skabte en slags tavlemønster, " rapporterer Zwierlein.

Andre atomer kramede hinanden lodret. De dannede et "par-tårn" og efterlod således et hul i deres gamle position. Som Zwierlein forklarer, ligner denne opførsel den for elektroner i en højtemperatur-superleder, fordi de også danner par og overholder lignende love.

Model til superledere

Observationen af ​​atomerne i ultrakaldt gas kan derfor give værdifulde konklusioner om processerne i superledere. "Der er ingen klassisk computer i verden, der kan beregne, hvad der sker med meget lave temperaturer med interagerende elektroner, " siger Zwierlein. "Deres rumlige forhold er aldrig blevet observeret in situ."

For at finde ud af mere om processerne i superlederen bruger forskerne deres ultra-kolde gas som en simulator. "Ved at lære om disse atomer som en model, kan vi bedre forstå, hvad der virkelig foregår i disse materialer, " siger Zwierlein. Hans håb: Måske fortæller atomerne fysikere, hvordan man skaber materialer, der er superledende, selv ved stuetemperatur. (Science, 2016; doi ': 10.1126 / science.aag3349)

(Massachusetts Institute of Technology, 19.09.2016 - NPO)