За да разберем как атомите се комбинират и образуват молекули, трябва да ги хванем в действие. Но за да направят това, физиците трябва да накарат атомите да спрат достатъчно дълго, за да бъдат записани техните взаимодействия.
Това не е лесна задача, но беше наследявана от физици от университета в Отаго.
Досега най-добрият начин да се разберат тънкостите на различните взаимодействия на атомите е да се изчислят корелации въз основа на средните стойности между клъстера частици.
Тази краудсорсирана версия на атомната технология предоставя много полезна наука, но не успява да разбере ключовите подробности за сблъсъка и смачкването на сблъсъци между отделни частици, които карат другите да се разпръснат и сливат.
Дори ако успеете да уловите няколко атома в едно и също пространство, всеки сблъсък може да доведе до излизане на атомите от вашия експеримент.
Един от начините да се анализират подобни сблъсъци е да се хванат изолирани атоми с еквивалента на малка двойка пинсети, да се държат неподвижни и да се запишат промените, когато идват.
За щастие такъв чифт пинсета съществува. Изработени от специално подравнена поляризирана светлина, тези лазерни клещи могат да действат като оптични капани за малки обекти.
Като се имат предвид относително късите дължини на вълната на светлината, експериментаторът има добри шансове да хване нещо толкова мъничко като единичен атом. Разбира се, първо трябва да охладите атомите, за да ги улесните за улавяне, и след това да ги изберете в празно пространство.
Микел Андерсен (вляво) и Марвин Вайланд във физическата лаборатория.
Звучи лесно. Но процесът изисква правилната технология и много търпение за постигане.
„Нашият метод включва индивидуално улавяне и охлаждане на три атома до температура от около една милионна Келвин с помощта на силно фокусирани лазерни лъчи в хипервакуумна (вакуумна) камера с големината на тостер“, казва физикът Микел Ф. Андерсен.
“Бавно комбинираме капани, съдържащи атоми, за да създадем контролирани взаимодействия, които измерваме.”
В този случай всички атоми са разновидности на рубидий, които се свързват, за да образуват молекули на дирубидий, но само два атома не са достатъчни, за да се постигне това.
“Два атома не могат да образуват молекула; химията изисква поне три”, казва физикът Марвин Вайланд.
Моделирането на това как се случва е истинско предизвикателство. Ясно е, че два атома трябва да се сближат достатъчно, за да образуват връзка, докато третият отнема част от тази връзка, за да ги остави свързани.
Разработването на математиката за това как се срещат само два атома за изграждане на молекула е трудно. Вземането под внимание на всички действия може да бъде кошмар.
На теория рекомбинацията на три тела между атомите трябва да ги принуди да напуснат капана, което обикновено добавя друг проблем за физиците, които се опитват да изследват взаимодействията между множество атоми.
Използвайки специална камера за наблюдение на промените, екипът улови момента, в който частиците рубидий се приближават една до друга и установяват, че степента на загуба не е толкова висока, колкото се очаква.
В действителност това също означава, че молекулите не са се събрали толкова бързо, колкото биха могли да обяснят съществуващите модели.
Нещо относно ограничаването на атомите и квантовите ефекти на къси разстояния може да помогне да се обясни тази бавност, но фактът, че това е неочаквано, означава, че много физика може да бъде изследвана чрез този процес.
“С развитието този метод може да осигури начин за създаване и контрол на отделни молекули на определени химикали.”
По-нататъшните експерименти ще помогнат да се усъвършенстват тези модели, за да се обясни по-добре как групите атоми работят заедно, за да се срещнат и свържат при различни условия.
В един свят на непрекъснато усъвършенстващи се технологии не е трудно да си представим необходимостта от процеси, при които микроскопични вериги и усъвършенствани лекарства се изграждат атом по атом, едно съединение в даден момент.
„Нашите изследвания се опитват да проправят пътя за способността да се гради в много малък мащаб, а именно в атомния мащаб, и съм много развълнуван да видя как нашите открития ще повлияят на технологичния прогрес в бъдеще“, казва Андерсен.
Това проучване е публикувано в Physical Review Letters.
Източници: Снимка: Университет в Отаго
