Cercetătorii au observat interacţiunea dintre atomi individuali
Pentru prima dată, oamenii de ştiinţă au obţinut imagini cu atomi individuali de potasiu distribuiţi într-o „reţea optică” şi au putut observa interacțiunea dintre aceştia.
Interacţiunea dintre atomi. Credit: Christine Daniloff/MIT
Obţinerea acestor imagini reprezintă o adevărată performanţă şi această tehnică i-ar putea ajuta pe cercetători să înţeleagă mai bine în ce condiţii atomii individuali se unesc pentru a forma stări exotice ale materiei, cum ar fi superfluidele și supraconductorii.
„Studiind acest model atomic putem înțelege cu adevărat ce se întâmplă în supraconductori şi ce ar trebui să facem pentru a obţine materiale supraconductoare la o temperatură care, sperăm, să se apropie cât mai mult de temperatura camerei”, a declarat Martin Zwierlein de la MIT, un membru al echipei de cercetători.
Pentru a obţine imaginile cu atomi individuali, cercetătorii au utilizat un gaz cu atomi de potasiu pe care l-au răcit până la o temperatură de doar câţiva nanoKelvin peste temperatura de zero absolut (1 nK = -273° C).
La această temperatură extrem de scăzută mişcarea atomilor de potasiu este mult limitată, astfel încât oamenii de ştiinţă au reuşit să prindă câţiva dintre ei într-o „reţea optică bidimensională”. Această rețea optică este formată dintr-o serie de lasere care se suprapun, atomii putând fi prinși în interiorul ei ca într-o capcană.
„Aceste efecte apar la o temperatură de doar câţiva nanoKelvin, deoarece noi lucrăm cu gaze atomice diluate. Cu toate acestea, în anumite condiţii, aceleaşi efecte s-ar putea produce şi la temperatura camerei pentru materia densă”, a declarat Zwierlein.
Prin bombardarea cu unde electromagnetice, atomii de potasiu sunt prinşi în „reţeaua optică” ca într-o cuşcă. Cu ajutorul unui microscop cu rezoluție mare, cercetătorii au reuşit să obţină sute de imagini cu aceşti atomi și au observat distribuţia acestora în „reţeaua optică”.
Oamenii de ştiinţă au descoperit că în zonele mai puţin aglomerate ale rețelei, cum ar fi în jurul marginilor, atomii de potasiu păstrează o anumită distanță între ei, creând aşa-numitele „regiuni Pauli”.
„În aceste zone este foarte puțin probabil să se găsească un alt atom”, a spus Zwierlein.
În apropiere de centrul rețelei, locul în care gazul este cel mai comprimat, cercetătorii au descoperit că probabilitatea ca atomii să se afle mult mai aproape unii de alţii este mai mare, aceştia aliniindu-se uneori unii deasupra celorlalţi şi orientându-se reciproc în funcţie de momentul lor magnetic.
„Acestea sunt frumoasele orientări spaţiale antiferomagnetice sub forma unui model de tip tablă de șah”, a declarat Zwierlein.
Ne putem gândi la aceste aliniamente şi orientări ale atomilor din reţeaua atomică ca la răspândirea populațiilor umane în funcţie de densitatea oamenilor dintr-o anumită regiune. De exemplu, în orașe oamenii trăiesc în blocuri de locuinţe, unii deasupra altora, renunţând astfel la o mare parte din spaţiul personal. În schimb, oamenii din regiunile mai puțin populate, cum ar fi cele din mediul rural, sunt separaţi de mai mult spaţiu de vecinii lor.
Cercetătorii au efectuat acest experiment pentru a înțelege mai bine supraconductibilitatea, un fenomen din mecanica cuantică în care rezistența electrică a unui material conductor devine zero, dacă temperatura acestuia este mai mică decât o anumită valoare specifică materialului, denumită temperatură critică.
Având în vedere că în prezent nu există tehnologia necesară pentru ca cercetătorii să poată vedea electronii din reţeaua atomică, cercetătorii au folosit un gaz format din atomi de potasiu pentru a testa modelul Hubbard-Fermi care descrie modul cum interacţionează atomii între ei.
„În prezent nu ştim cum interacţionează electronii la temperaturi foarte scăzute şi acesta este motivul pentru care nu ştim cum se poate obţine supraconductibilitatea la temperaturi ridicate, atunci când electronii interacţionează foarte puternic între ei. Corelările spațiale ale acestora nu au fost observate in situ, pentru că nimeni nu are un microscop cu care să vadă electroni individuali”, a declarat Zwierlein.
Cu ajutorul unor studii viitoare şi printr-o mai bună înţelegere a supraconductivităţii, poate că într-o zi vom putea crea noi materiale supraconductoare, având o rezistență electrică zero, care vor fi mult mai eficiente decât cele pe care le avem chiar acum.
În continuare cercetătorii vor încerca să observe aceiași atomi la o temperatură chiar mai scăzută, pentru a înţelege cât mai bine comportamentul lor și cum pot forma aceştia materiale supraconductoare.
Studiul cercetătorilor a fost publicat în revista Science.
Sursă: Science Alert