Ученые провели экстремальный атомный эксперимент и бросили вызов представлениям о возможном:
- Ученые наблюдали «искривление» атомов с помощью кристаллической решетки — эксперимент, который когда-то считался невозможным при требуемых высоких энергиях.
- Авторы нового, нерецензируемого исследования подробно описывают, как лист графена, используемый в качестве кристаллической решетки, выдержал 100 часов облучения атомным пучком без повреждений, а характерные круговые узоры продемонстрировали атомную дифракцию.
- Современные атомные интерферометры основаны на наномеханических мембранах, но увеличение передачи импульса через кристаллические решетки может сделать интерферометры еще более чувствительными.
14 сентября 2015 года впервые в истории Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория ( LIGO ) обнаружила рябь в пространстве-времени. Этот прорывной момент — который Альберт Эйнштейн когда-то считал почти невозможным — стал возможным благодаря способности обсерватории измерять мельчайшие изменения расстояния, пройденного лазерным лучом, которые выдают искривление пространства-времени.
Однако если бы ученые смогли каким-то образом разработать атомные интерферометры — те, которые улавливают волновую природу атомов, — детекторы гравитационных волн могли бы стать во много раз более чувствительными и обнаружить различные типы гравитационных волн, включая те, которые потенциально могут быть созданы варп-двигателями какой-либо развитой инопланетной цивилизации.
Разработка такого инструмента — это большое «если», но ученые из Института квантовых технологий Немецкого аэрокосмического центра и Венского университета считают, что они, возможно, на верном пути. В новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, Кристиан Бранд из Немецкого аэрокосмического центра и его коллеги разработали эксперимент, чтобы по сути «изогнуть» атомы. Для этого команда дифрагировала высокоэнергетические атомы водорода и гелия через лист графена толщиной в атом и увидела характерные кольцевые узоры — явный признак дифракции.
Это было особенно удивительно, потому что этот вид дифракции когда-либо наблюдался только в субатомных частицах, а не в целых атомах. Но даже в электронах это было невероятно полезно. Как отмечает New Scientist, в 1927 году физик Джордж Пейджет Томсон продемонстрировал, как дифрагированные электроны создают определенные узоры при прохождении через зазоры в кристаллической структуре, которые ученые называют «решетками». Фактически, это было настолько полезно, что привело к разработке электронных микроскопов (а также принесло Томасу Нобелевскую премию).
Дифракционные картины были обнаружены для атомов, но они использовали решетки гораздо большего размера, чем те, что можно было найти в кристаллах, поскольку считалось, что высокая энергия этих атомов повредит кристаллические решетки до того, как дифракция сможет произойти. Однако, используя слой атомов углерода толщиной в атом, известный как графен, эксперты обнаружили, что даже после 100 часов облучения атомным пучком решетка не показывала никаких повреждений, и дифракция все еще имела место.
«Благодаря своим выдающимся электронным и механическим свойствам однослойный графен является идеальным кандидатом на роль решетки для пропускания атомов», — пишут авторы в исследовании. «Кроме того, его можно регулярно готовить как отдельно стоящий материал на подходящих опорных структурах».
Согласно законам квантовой механики, эта дифракция возможна только потому, что обмен энергией между графеном и атомами водорода/гелия необнаружим. В беседе с New Scientist Билл Эллисон из Кембриджского университета описывает это как открытие и закрытие дверей. «Если я открою дверь, а затем ловко закрою ее, не теряя и не приобретая энергию, то никто, включая меня, не узнает, какую дверь я использовал, и, следовательно, будет дифракция».
Как отмечают авторы, чувствительность интерферометров «масштабируется с импульсом, сообщаемым решеткой волне материи», но размер периодов решетки в настоящее время ограничен производственным процессом всего лишь 100 нанометрами. Эта демонстрация атомной дифракции через кристаллическую решетку может открыть двери для более чувствительных инструментов, которые будут иметь жизненно важное значение для исследования некоторых из самых больших загадок Вселенной.
«Объединение кристаллических решеток пропускания в интерферометры может привести к появлению новых квантовых датчиков», — пишут авторы. «Быстрые атомы имеют преимущества для обнаружения гравитационных волн по сравнению с экспериментами с холодными атомами и могут привести к появлению новых многомерных интерферометров».
Прочитайте что такое взгляд в будущее
Читайте ещё статьи из Рубрики: инновации-технологии-наука