Физики Массачусетского технологического института (MIT, США) получили первые в истории изображения отдельных атомов, свободно взаимодействующих в пространстве. На снимках удалось увидеть квантовые корреляции — тонкие взаимосвязи между частицами, предсказанные теорией, но ранее недоступные для прямого наблюдения.
Ученые под руководством профессора Мартина Цвирляйна разработали новый метод визуализации, который позволяет «заморозить» движение атомов в нужный момент и сфотографировать их положение с атомарной точностью. Сначала атомы собираются в так называемой «свободной ловушке», где они могут перемещаться и взаимодействовать. Затем включается световая решетка — оптический аналог ледяной клетки, мгновенно останавливающей частицы на месте. Импульс точно настроенного лазера вызывает флуоресценцию атомов, благодаря которой фиксируются их индивидуальные координаты.
Физики использовали новую технику, чтобы получить первые снимки облаков разных типов атомов. Им удалось напрямую увидеть, как бозоны — частицы, которые тянутся друг к другу — собираются в единую квантовую волну. Также они впервые запечатлели, как фермионы — наоборот, обычно избегающие друг друга — объединяются в пары прямо в свободном пространстве. Именно такие пары лежат в основе сверхпроводимости — явления, при котором электрический ток течет без сопротивления. Такие волновые свойства частиц впервые предсказал Луи де Бройль, и теперь они буквально проявились на снимках. Ученые наблюдали, как бозоны группируются. Повышенная плотность атомов в определенных точках стала прямым доказательством их квантовой корреляции.
Интересно, что аналогичную технику параллельно развивали и другие группы ученых. Команда нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, также из MIT, визуализировала корреляции между бозонами. А коллектив из Высшей нормальной школы в Париже под руководством Тарика Йефсаха показал поведение облака невзаимодействующих фермионов. Совпадение результатов разных групп подтверждает надежность нового метода.
Теперь у физиков появился мощный инструмент для наблюдения за квантовыми системами в реальном пространстве. В ближайших планах команды — визуализация еще более экзотических состояний материи, таких как эффекты квантовой физики Холла. В этих системах поведение электронов в магнитном поле становится настолько сложным, что математики предпочитают заменять уравнения рисунками. И теперь эти рисунки можно сравнивать с реальными кадрами.
Ранее Наука Mail рассказывала о технологии квантовой телепортации.