重大发现:科学家首次捕获单个原子并观察到了原子间的相互作用

2020年02月24日 16:57 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

单个原子是什么模样,原子与原子之间是如何相互作用的?最近,据物理学家组织网报道,来自新西兰奥塔哥大学物理系的科学家首次捕获到单个原子并让其发生受控反应,并观察到了前所未见的原子间相互作用的情景,他们认为这或将大大影响未来的技术进步。

原子的尺度大约在 100 亿分之一米,如果非要要以实物类比的话,相当于把你食指指甲盖大小的东西横切 1 亿次,竖切 1 亿次,取其中一块出来,大约就是一个原子的大小了,而要观察到原子间的相互作用,这似乎是更困难的事情。

如何捕获?

不过,越是困难越是有人勇于挑战。

那么,问题来了,他们是如何捕获单个原子的?

奥塔哥大学物理系副教授米克尔·F·安德森表示:在最新研究中,我们在烤面包机大小的超真空室内,用高聚焦激光束,将三个原子分别俘获并冷却至百万分之一开尔文(约为零下 273.15 摄氏度,接近绝对零度)。随后,他们利用光镊“拈起”铷原子,将它们导向彼此,观察到了多种形式的碰撞情形,从而能准确理解发生的事情。在这次实验中,他们观察到的原子重组速度比以前预期的要慢,这与当前的理论预测明显不符,这让科学家们非常兴奋,但原因暂时还不明朗。

值得一提的是,此前,科学家仅通过涉及大量原子的实验提供的统计平均值来了解这一量子过程,现在, 这一发现则意味着对量子的研究更进了一步。

最终的实验结果表明,当三个原子彼此靠近时,两个原子会形成一个分子,它们都会受到这个过程中释放能量的“踢”。

而显微镜相机可以放大和观察这一过程。

带头进行这项实验的博士后研究员马文·韦兰德( Marvin Weeland )表示:仅有两个原子不能形成一个分子,至少需要三个原子才能完成化学反应,我们首次将这一基本过程孤立出来展开研究,得到了以前涉及大量原子云团的实验无法获得的详尽细节以及实验结果。例如,研究人员能够看到单个过程的确切结果,并观察到一个新的过程,不得不说,这种研究是可喜的。

有望促进量子技术发展

同时马文·韦兰德还补充道:到目前为止,在许多原子的实验中,这种细节是不可能被观察到的。而通过在分子水平上的研究,更多地了解了原子是如何相互碰撞和反应的。随着技术的发展,这项技术可以提供一种方法来构建和控制特定化学物质的单分子。

量子物理学以外的人,可能很难理解这项技术和细节水平,但研究人员相信,这门科学的应用,将有助于未来量子技术的发展,这些技术可能会像使现代计算机和互联网得以实现的早期量子技术一样对社会产生影响。

而这种分子水平上的观测,让我们对原子如何碰撞,如何相互作用有了更深刻的理解,可以为构建和控制特定化学物质的单个分子提供一种途径,并为未来计算机和互联网技术的发展提供更为强大的动力。目前的手机之所以能超越上世纪 80 年代的超级计算机,唯一的动力就是,我们可以在越来越小的规模上研究物质。这为我们能在最小尺度(原子尺度)开展研究铺平了道路,有望促进量子技术的发展。即在原子尺度上建造建筑铺平道路,这些发现将如何影响未来的技术进步。

值得注意的是,虽然研究人员提出了解释这一差异的机制,但他们也强调需要在实验量子力学的这一领域进一步发展理论。

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