LASERgekühlte Atomwolke, gesehen durch eine Mikroskopkamera. (Universität von Otago) Um zu verstehen, wie Atome sich zu Molekülen verbinden, müssen wir sie in Aktion erleben. Doch dazu müssen Physiker die Atome dazu zwingen, lange genug innezuhalten, damit ihr Austausch aufgezeichnet werden kann. Das ist keine leichte Aufgabe, und eine haben Physiker der University of Otago erst kürzlich geschafft.
Bisher konnten Physiker die Feinheiten verschiedener atomarer Wechselwirkungen am besten dadurch verstehen, dass sie Korrelationen berechneten, die auf Durchschnittswerten einer Masse basierten, die so weit abgekühlt war, dass sie alle eine Identität teilten.
Diese Crowdsourcing-Version der Atomforschung liefert viele nützliche Erkenntnisse, kann jedoch keine wichtigen Details über die Stöße und Stöße von Kollisionen zwischen einzelnen Teilchen erfassen, die zur Streuung einiger Teilchen und zur Verschmelzung anderer Teilchen führen.
Selbst wenn Sie zufällig eine Handvoll Atome in einem Raum einfangen, besteht bei jeder Kollision die Gefahr, dass Atome aus Ihrem Experiment geschleudert werden.
Eine Möglichkeit, solche Begegnungen zu analysieren, besteht darin, isolierte Atome mit dem Äquivalent einer winzigen Pinzette zu greifen, sie stillzuhalten und die Veränderungen aufzuzeichnen, während sie aufeinandertreffen.
Glücklicherweise gibt es eine solche Pinzette. Diese bestehen aus speziell ausgerichtetem polarisiertem Licht Laserbasierte Pinzette können als optische Fallen für winzige Objekte dienen.
Bei ausreichend kurzen Lichtwellen hat ein Experimentator gute Chancen, etwas so Kleines wie ein einzelnes Atom in seiner Klemme einzufangen. Natürlich müssen die Atome zunächst vollständig abgekühlt werden, damit sie leichter gefangen werden können, und dann in einen leeren Raum getrennt werden.
Wenn man es so beschreibt, klingt es einfach. Aber es ist ein Prozess, der die richtige Technologie und viel Geduld erfordert.
„Unsere Methode beinhaltet das individuelle Einfangen und Abkühlen von drei Atomen auf eine Temperatur von etwa einem Millionstel Kelvin mithilfe hochfokussierter Laserstrahlen in einer hyperevakuierten (Vakuum-)Kammer, die etwa die Größe eines Toasters hat.“ sagt der Physiker Mikkel F. Andersen .
„Wir kombinieren langsam die Fallen, die die Atome enthalten, um kontrollierte Wechselwirkungen zu erzeugen, die wir messen.“
In diesem Fall handelte es sich bei den Atomen ausschließlich um Rubidium-Atome, die sich zu Molekülen verbinden Dirubidium , aber nur zwei Atome reichen nicht aus, um dies zu erreichen.
„Zwei Atome allein können kein Molekül bilden, es braucht mindestens drei, um Chemie zu betreiben.“ sagt der Physiker Marvin Weyland .
Die Modellierung, wie dies geschieht, ist eine echte Herausforderung. Es ist klar, dass zwei Atome sich so nahe kommen müssen, dass sie eine Bindung eingehen können, während ein drittes Atom einen Teil dieser Bindungsenergie entzieht, um sie verbunden zu lassen.
Es ist schon schwer genug, die Mathematik zu erklären, wie sich nur zwei Atome treffen, um ein Molekül zu bilden. Unter Berücksichtigung der Handlungen von mehr kann ein Albtraum sein.
Die Dreikörper-Rekombination zwischen Atomen sollte theoretisch dazu führen, dass sie aus ihrer Falle gezwungen werden, was normalerweise der Fall ist noch ein weiteres Problem für Physiker, die die Wechselwirkungen zwischen mehreren Atomen untersuchen möchten.
Mit einer Spezialkamera zur Vergrößerung der Veränderungen erfasste das Team den Moment, in dem die Rubidiumpartikel nahe beieinander lagen, und stellte fest, dass die Verlustrate bei weitem nicht so häufig war wie erwartet.
Tatsächlich bedeutet dies auch, dass die Moleküle nicht so schnell zusammenkamen, wie die vorhandenen Modelle erklären könnten.
Etwas an der Eingrenzung der Atome und an Quanteneffekten im Nahbereich könnte helfen, diese Langsamkeit zu erklären, aber die Tatsache, dass es unerwartet ist, bedeutet, dass es mit diesem Prozess viel physikalisches zu erforschen gibt.
„Unsere Arbeit ist das erste Mal, dass dieser grundlegende Prozess isoliert untersucht wurde, und es stellt sich heraus, dass er mehrere überraschende Ergebnisse lieferte, die bei früheren Messungen in großen Atomwolken nicht zu erwarten waren.“ sagt Weyland .
„Mit der Weiterentwicklung könnte diese Technik eine Möglichkeit bieten, einzelne Moleküle bestimmter Chemikalien aufzubauen und zu kontrollieren.“
Weitere Experimente werden dazu beitragen, diese Modelle zu verfeinern, um besser zu erklären, wie Gruppen von Atomen zusammenarbeiten, um sich unter verschiedenen Bedingungen zu treffen und zu verbinden.
In einer Welt der immer kleiner werdenden Technologie ist es nicht schwer, sich einen Bedarf an Prozessen vorzustellen, bei denen mikroskopische Schaltkreise und fortschrittliche Medikamente Atom für Atom, eine Einheit nach der anderen, aufgebaut werden.
„Unsere Forschung versucht, den Weg dafür zu ebnen, im kleinsten Maßstab bauen zu können, nämlich im atomaren Maßstab, und ich bin gespannt, wie unsere Entdeckungen den technologischen Fortschritt in der Zukunft beeinflussen werden.“ sagt Andersen .
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .