Изображения были сделаны с использованием разработанной командой методики, которая впервые позволяет облаку атомов свободно перемещаться и взаимодействовать. Затем исследователи включают световую решетку, которая на короткое время замораживает атомы на их траекториях, и применяют тонко настроенные лазеры для быстрого освещения взвешенных атомов, создавая картину их положения до того, как атомы естественным образом рассеются.

Физики применили этот метод для визуализации облаков из различных типов атомов и впервые сделали несколько снимков. Исследователи непосредственно наблюдали атомы, известные как "бозоны", которые группировались в квантовом явлении, образуя волну. Они также захватили атомы, известные как "фермионы", в процессе объединения в свободном пространстве - ключевой механизм, обеспечивающий сверхпроводимость.

"Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках атомов и то, что они делают по отношению друг к другу, и это прекрасно", - говорит Мартин Цвирлейн, профессор физики Томаса А. Франка в Массачусетском технологическом институте.

В том же номере журнала две другие группы сообщают об использовании аналогичных методов визуализации, в том числе команда, возглавляемая Нобелевским лауреатом Вольфгангом Кеттерле, профессором физики Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте. Группа Кеттерле визуализировала усиленные парные корреляции между бозонами, в то время как другая группа из Высшей нормальной школы в Париже, возглавляемая Тариком Йефсахом, бывшим постдоком в лаборатории Цвирлейна, изобразила облако невзаимодействующих фермионов.

Соавторами исследования Цвирляйна и его коллег являются аспиранты Массачусетского технологического института Жуйсяо Яо, Сунгджэ Чи и Минсюань Ван, а также доцент физики Массачусетского технологического института Ричард Флетчер.

Внутри облака

Диаметр одного атома составляет около одной десятой нанометра, что составляет одну миллионную толщины пряди человеческих волос. В отличие от волос, атомы ведут себя и взаимодействуют в соответствии с правилами квантовой механики; именно их квантовая природа затрудняет понимание атомов. Например, мы не можем одновременно точно знать, где находится атом и с какой скоростью он движется.

Ученые могут применять различные методы для получения изображений отдельных атомов, включая абсорбционную визуализацию, при которой лазерный луч попадает на облако атомов и отбрасывает его тень на экран камеры.

"Эти методы позволяют вам увидеть общую форму и структуру облака атомов, но не сами отдельные атомы", - отмечает Цвирлейн. "Это все равно что видеть облако в небе, но не отдельные молекулы воды, из которых состоит облако".

Он и его коллеги использовали совершенно иной подход, чтобы непосредственно изобразить атомы, взаимодействующие в свободном пространстве. Их метод, называемый "микроскопия с атомным разрешением", включает в себя сначала помещение облака атомов в свободную ловушку, образованную лазерным лучом. Эта ловушка удерживает атомы в одном месте, где они могут свободно взаимодействовать. Затем исследователи высвечивают решетку светом, который замораживает атомы в их положениях. Затем второй лазер освещает взвешенные атомы, флуоресценция которых показывает их индивидуальное расположение.

"Самым сложным было собрать свет от атомов, не выпаривая их из оптической решетки", - говорит Цвирлейн. "Вы можете себе представить, если бы вы направили огнемет на эти атомы, им бы это не понравилось. Итак, за прошедшие годы мы научились некоторым хитростям, как это сделать. И это первый раз, когда мы делаем это на месте, где мы можем внезапно заморозить движение атомов, когда они сильно взаимодействуют, и увидеть их один за другим. Вот что делает эту технику более мощной, чем то, что делалось раньше".

Гроздья и пары

Команда применила метод визуализации для непосредственного наблюдения взаимодействий как между бозонами, так и между фермионами. Фотоны являются примером бозона, в то время как электроны являются разновидностью фермиона. Атомы могут быть бозонами или фермионами, в зависимости от их общего спина, который определяется тем, является ли общее число их протонов, нейтронов и электронов четным или нечетным. В общем, бозоны притягиваются, тогда как фермионы отталкиваются.

Цвирлейн и его коллеги впервые изобразили облако бозонов, состоящее из атомов натрия. При низких температурах облако бозонов образует так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна - состояние материи, при котором все бозоны находятся в одном и том же квантовом состоянии. Кеттерле из Массачусетского технологического института был одним из первых, кто получил конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов натрия, за что он разделил Нобелевскую премию по физике 2001 года.

Группа Цвирляйна теперь может получить изображение отдельных атомов натрия внутри облака, чтобы наблюдать их квантовые взаимодействия. Давно было предсказано, что бозоны должны "группироваться" вместе, имея повышенную вероятность находиться рядом друг с другом. Это объединение является прямым следствием их способности совместно использовать одну и ту же квантово-механическую волну. Этот волнообразный характер был впервые предсказан физиком Луи де Бройлем. Именно гипотеза о "волне де Бройля" отчасти положила начало современной квантовой механике.

"Благодаря этой волнообразной природе мы гораздо больше понимаем о мире", - говорит Цвирлейн. "Но действительно трудно наблюдать эти квантовые, волнообразные эффекты. Однако в нашем новом микроскопе мы можем визуализировать эту волну непосредственно".

В своих экспериментах по визуализации команда Массачусетского технологического института впервые смогла увидеть in situ, как бозоны собираются вместе, поскольку они разделяют одну квантовую коррелированную волну де Бройля. Команда также изобразила облако из двух типов атомов лития. Каждый тип атома - это фермион, который естественным образом отталкивает себе подобных, но может сильно взаимодействовать с другими конкретными типами фермионов. Когда они изобразили облако, исследователи заметили, что противоположные типы фермионов действительно взаимодействовали и образовывали фермионные пары - связь, которую они впервые смогли непосредственно увидеть.

"Такого рода спаривание лежит в основе математической конструкции, которую люди придумали для объяснения экспериментов. Но когда вы видите подобные снимки, на фотографии изображен объект, который был обнаружен в математическом мире", - говорит соавтор исследования Ричард Флетчер. "Так что это очень приятное напоминание о том, что физика связана с физическими вещами. Это реально."

В дальнейшем команда будет применять свою технику визуализации для визуализации более экзотических и менее понятных явлений, таких как "квантовая физика Холла" - ситуаций, когда взаимодействующие электроны демонстрируют новое коррелированное поведение в присутствии магнитного поля.

"Вот где теория становится по-настоящему запутанной - когда люди начинают рисовать картинки вместо того, чтобы иметь возможность записать полноценную теорию, потому что они не могут полностью решить ее", - говорит Цвирлейн. "Теперь мы можем проверить, действительно ли эти карикатуры на квантовые состояния Холла реальны. Потому что это довольно странные государства".

Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом через Центр ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда, а также Управлением научных исследований ВВС, Исследовательским управлением армии, Министерством энергетики, Исследовательским агентством перспективных проектов обороны, стипендией факультета Ванневара Буша и Фондом Дэвида и Фонд Люсиль Паккард.