Στιγμιότυπο από το εσωτερικό ενός ατόμου
Μιλήστε για μια σκληρή βολή. Οι φυσικοί κατάφεραν, για πρώτη φορά, να απεικονίσουν την κβαντική λειτουργία των ηλεκτρονίων στα άτομα υδρογόνου, μια πρόοδος που θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε μια βαθύτερη κατανόηση του κβαντικού κόσμου.
Η λήψη μιας εικόνας του εσωτερικού ενός ατόμου -των ηλεκτρονίων, των πρωτονίων, των νετρονίων- δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η κβαντομηχανική καθιστά ουσιαστικά αδύνατο να εντοπιστούν αυτά τα υποατομικά σωματίδια. Αντί να έχει την ικανότητα να περιγράφει πού βρίσκεται ένα σωματίδιο, η κβαντική θεωρία παρέχει μια περιγραφή της θέσης του που ονομάζεται κυματική συνάρτηση. Οι κυματικές συναρτήσεις λειτουργούν όπως τα ηχητικά κύματα, εκτός από το ότι ενώ η μαθηματική περιγραφή ενός ηχητικού κύματος καθορίζει την κίνηση των μορίων στον αέρα σε ένα συγκεκριμένο μέρος, μια συνάρτηση κύματος περιγράφει την πιθανότητα εύρεσης του σωματιδίου.
Οι φυσικοί μπορούν θεωρητικά να προβλέψουν πώς είναι μια κυματική συνάρτηση, αλλά η μέτρηση μιας κυματικής συνάρτησης είναι πολύ δύσκολη επειδή είναι εξαιρετικά εύθραυστη. Σε ένα άλλο κομμάτι της κβαντικής παραξενιάς, οι περισσότερες απόπειρες άμεσης παρατήρησης κυματικών συναρτήσεων στην πραγματικότητα τις καταστρέφουν σε μια διαδικασία που ονομάζεται κατάρρευση. Έτσι, για να μετρηθούν πειραματικά οι ιδιότητες μιας κυματικής συνάρτησης απαιτεί από τους ερευνητές να την ανακατασκευάσουν από πολλές ξεχωριστές καταστροφικές μετρήσεις σε πανομοιότυπα παρασκευασμένα άτομα ή μόρια.
Οι φυσικοί στο AMOLF, ένα εργαστήριο του Ολλανδικού Ιδρύματος για τη Θεμελιώδη Έρευνα για την Ύλη (FOM), στο Άμστερνταμ επέδειξαν μια νέα μη καταστροφική προσέγγιση σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε αυτήν την εβδομάδα στο Physical Review Letters. Με βάση μια πρόταση του 1981 από τρεις Ρώσους θεωρητικούς και πιο πρόσφατη εργασία που έφερε αυτή την πρόταση στο πεδίο των δυνατοτήτων, η ομάδα εκτόξευσε αρχικά δύο λέιζερ σε άτομα υδρογόνου μέσα σε έναν θάλαμο, εκτοξεύοντας ηλεκτρόνια σε ταχύτητες και κατευθύνσεις που εξαρτώνται από τις υποκείμενες κυματικές συναρτήσεις τους. . Ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον θάλαμο καθοδήγησε τα ηλεκτρόνια σε θέσεις σε έναν επίπεδο ανιχνευτή που εξαρτιόταν από τις αρχικές ταχύτητες και όχι από τις αρχικές τους θέσεις. Έτσι, η κατανομή των ηλεκτρονίων που χτυπούσαν τον ανιχνευτή ταίριαζε με την κυματική συνάρτηση που είχαν τα ηλεκτρόνια τη στιγμή που άφησαν πίσω τους πυρήνες του υδρογόνου τους. Η συσκευή εμφανίζει την κατανομή των ηλεκτρονίων σε μια φωσφορίζουσα οθόνη ως φωτεινούς και σκοτεινούς δακτυλίους, τους οποίους η ομάδα φωτογράφισε χρησιμοποιώντας μια ψηφιακή κάμερα υψηλής ανάλυσης.
«Είμαστε πραγματικά ευχαριστημένοι με τα αποτελέσματά μας», λέει η επικεφαλής της ομάδας Aneta Stodolna, σημειώνοντας ότι αν και η κβαντική μηχανική είναι μέρος της καθημερινής ζωής για τους φυσικούς, σπάνια γίνεται κατανοητή με τέτοιο σπλαχνικό τρόπο. Λέει ότι μπορεί να υπάρξουν πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον - ένα σχόλιο που συνοδεύει το έγγραφο υποδηλώνει ότι η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη τεχνολογιών όπως τα μοριακά καλώδια, οι αγωγοί πάχους ατόμου που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη συρρίκνωση των ηλεκτρονικών συσκευών - αλλά ότι το αποτέλεσμά τους αφορά " εξαιρετικά θεμελιώδης» φυσική που μπορεί να είναι εξίσου πολύτιμη για την ανάπτυξη της κβαντικής διαίσθησης στην επόμενη γενιά φυσικών.
«Είναι ένα ενδιαφέρον πείραμα, κυρίως επειδή διερευνά το υδρογόνο», ένα στοιχείο που αποτελεί και παράδειγμα σχολικού βιβλίου στα προπτυχιακά μαθήματα φυσικής και επίσης αποτελεί τα τρία τέταρτα του σύμπαντος, λέει ο Jeff Lundeen, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οτάβα στον Καναδά. πραγματοποίησε σχετικά πειράματα σε συναρτήσεις κυμάτων φωτονίων. Η ομάδα του Stodolna "βασικά ανέπτυξε μια νέα τεχνική" για την παρατήρηση των κυματικών συναρτήσεων, λέει ο Lundeen, αν και δεν είναι ακόμη σαφές εάν ισχύει για πιο περίπλοκα άτομα που οι φυσικοί κατανοούν λιγότερο καλά από το υδρογόνο. "Αν καταλήξει να είναι αρκετά καθολικό ... τότε θα ήταν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο" για τη μελέτη αυτών των ατόμων στο εργαστήριο, βελτιώνοντας την κατανόηση των φυσικών για την ατομική φυσική που κρύβεται πίσω από τις χημικές αντιδράσεις και τη νανοτεχνολογία.
