Láthatóvá vált a láthatatlan: amerikai kutatók először fotózták le az atomok kvantumvilágát
Először sikerült megörökíteni, hogyan viselkednek az egyes atomok a kvantummechanika törvényei szerint – a Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) kutatóinak világraszóló eredményei új távlatokat nyithatnak az anyag szerkezetének és viselkedésének megértésében.
A kvantumvilágot eddig csak elméletekből ismerhettük, most azonban kézzelfoghatóvá – pontosabban: láthatóvá – vált. Az MIT fizikusai egy forradalmi technológia segítségével először tudták lefényképezni, hogyan helyezkednek el és lépnek kölcsönhatásba egymással egyedi atomok a térben. Ez a bravúr nemcsak technikai áttörés, hanem az eddig csak matematikai modellekből ismert kvantumjelenségek látványos megerősítése is.
Miért fontos ez a felfedezés?
„Láthattuk az egyes atomokat ezekben az érdekes atomfelhőkben, és azt, hogy mit csinálnak egymással kapcsolatban, ami gyönyörű” – fogalmazott Martin Zwierlein, a projektet vezető MIT-professzor. Ez az „egyszerre gyönyörű és tudományosan revelatív” megfigyelés több évtizedes álmot valósított meg: korábban csak elmosódott, absztrakciókkal telített képet kaptunk az atomokról és viselkedésükről, most viszont – a fluoreszkáló fények segítségével – az egyes részecskék önálló valóságként jelentek meg a kutatók szeme előtt.
Hogyan sikerült mindez?
A siker kulcsa a kutatók által kifejlesztett új mikroszkópos technológia, amelyet „atomfelbontású mikroszkópiának” neveztek el. A kísérlet során egy úgynevezett lézeres csapdát hoztak létre, amelyben atomfelhőket helyeztek el, majd fényrács segítségével megdermesztették – „befagyasztották” – az atomok mozgását. Ezután egy másik lézerfény világította meg az atomokat, amelyek így fluoreszkálni kezdtek. A fénykibocsátásuk rögzítésével a tudósok végül képesek voltak megörökíteni az egyes atomokat, sőt azok mozgását és egymásra gyakorolt hatását is.
A nehézséget leginkább a méret adta: egyetlen atom átmérője körülbelül egytized nanométer – az emberi hajszál egymilliomod része. Ráadásul a kvantummechanika alapelve szerint egy részecske pontos helye és sebessége egyszerre nem is ismerhető meg. Ezen paradox viselkedés megfigyelése eddig kizárólag közvetett módon történt – most először született róla konkrét, fotó formájú bizonyíték.
Bozonok, fermionok és a kvantummechanika valósága
A kutatók különféle részecsketípusokkal kísérleteztek. A bozonokat – olyan részecskéket, amelyek azonos kvantumállapotba rendeződve képesek kollektív viselkedésre – például sikerült hullámszerű formációban megörökíteni. Ez a Bozon–Einstein-kondenzátum egyik látványos bizonyítéka. Emellett sikerült megfigyelniük a fermionok párba rendeződését is – ez a jelenség képezi a szupravezetés alapját, vagyis annak a folyamatnak a kulcsát, amelyben egyes anyagok nulla elektromos ellenállással vezetik az áramot.
A képek tehát nemcsak vizuálisan lenyűgözőek, hanem új megértést kínálnak az anyag legalapvetőbb építőköveinek működéséről. A kvantumfizika által eddig elvontan leírt mechanizmusok kézzelfogható, sőt látható formát öltöttek.
Mi jön ezután?
A kutatócsoport célja most az, hogy még mélyebb kvantumjelenségeket is tanulmányozzanak új módszerükkel. Különösen a kvantum Hall-hatás területén várnak további áttöréseket – ez az a terület, ahol az elektronok mágneses tér jelenlétében újfajta, koordinált mozgásmintázatot alakítanak ki. Eddig ezt is csak közvetve lehetett észlelni, a képi megerősítés azonban alapjaiban változtathatja meg a fizika oktatását, kutatását és alkalmazásait.
Tudomány és művészet határán
Zwierlein professzor úgy véli, ezek a képek nemcsak tudományos értékűek, hanem esztétikai értelemben is lenyűgözőek. A fluoreszkáló atomok rajzolatot alkotnak a térben – egyfajta kvantumvilág térképét –, amely egyben a kozmosz belső szerkezetének lenyomata is lehet. Amit eddig csak sejtettünk, most ott van a szemünk előtt, mint egy univerzális kottalap első olvasható sorai.
A tudomány új fejezete
A MIT kutatói által megalkotott atomfelbontású mikroszkópia tehát nemcsak új technikai eszközt ad a fizika kezébe, hanem új filozófiai kérdéseket is felvet: hogyan változik a valóságról alkotott képünk, ha annak legparányibb részletei is közvetlenül láthatóvá válnak? És mit jelent az, hogy végre láthatjuk azt, ami eddig csak számítás volt?
A válaszok nemcsak a kutatólaboratóriumokban születnek majd meg, hanem az emberiség közös képzeletében is.
