Новый метод измеряет трехмерное положение отдельных атомов
Впервые ученые измерили положения отдельных атомов в трехмерном пространстве на одном изображении, открыв новый способ наблюдения квантовых взаимодействий в материалах.
Уже более десяти лет физики могут измерять расположение отдельных атомов с точностью менее одной тысячной миллиметра, используя специальный тип микроскопа. Однако до сих пор этот метод предоставлял только координаты X и Y. Информация о вертикальном положении атома, то есть о расстоянии между атомом и объективом микроскопа, отсутствует.
Новый подход, разработанный исследователями из Боннского университета в Германии и Бристольского университета в Великобритании, использует установку для квантовой газовой микроскопии, улавливающую атомы ультра-холодного газа внутри световых ячеек и измеряющую их характеристики с помощью так называемой квантовой газовой микроскопии.
Хотя ученые и раньше наносили на карту атомы в трех пространственных измерениях, такие методы требуют многократной экспозиции изображений и не имеют высокого разрешения квантовой газовой микроскопии. Теперь это можно сделать гораздо быстрее: все три измерения можно измерить одним щелчком мыши.
Деформируя свет, излучаемый атомами, исследователи теперь добавили вертикальное положение Z, которое описывает, насколько высоко находится атом.
«Вместо типичных круглых пятнышек деформированный волновой фронт создает на камере форму гантели, которая вращается вокруг себя», — говорит физик Андреа Альберти из Боннского университета.
«Направление, в котором указывает эта гантель, зависит от расстояния, которое свет должен был пройти от атома до камеры».
Рассчитав это расстояние с помощью хитроумных математических вычислений, примененных к форме «гантели», можно измерить расположение атомов вдоль оси Z. Это новое понимание дает исследователям более точные инструменты для квантовых экспериментов, где необходимы точность и контроль.
«Таким образом, гантель действует как стрелка компаса, позволяя нам считывать координату Z в соответствии с ее ориентацией», — говорит физик Дитер Мешеде из Боннского университета.
Команда уверена, что разработанная ими методика может быть улучшена в будущем и адаптирована для работы в различных установках, выходящих за рамки квантовой газовой микроскопии.
Более того, с помощью такого подхода можно будет разрабатывать новые квантовые материалы, материалы, изготавливаемые по индивидуальному заказу и позволяющие достичь конкретных результатов. Мы еще многого не знаем о Вселенной в мельчайших масштабах, но это должно помочь.
«Например, мы могли бы исследовать, какие квантово-механические эффекты возникают, когда атомы расположены в определенном порядке», — говорят ученые. «Это позволит нам в некоторой степени моделировать свойства трехмерных материалов без необходимости их синтеза».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review A.