Вот уже более века наука стремится продемонстрировать дифракцию атомов — важнейшее явление для понимания материи в атомном масштабе. Эти поиски подвергли знания физиков испытанию на прочность, но именно благодаря удивительным свойствам графена, революционного материала, этот научный рубеж был недавно преодолен.
Дифракция: фундаментальный принцип для понимания материи
Дифракция — это явление, при котором волны, будь то свет, электроны или атомы, распространяются и взаимодействуют с препятствиями или регулярными решетками. Именно наблюдая это явление, ученые смогли обнаружить волнообразные свойства света и частиц, что привело к формулировке дуализма волна-частица.
В течение десятилетий ученые успешно наблюдали дифракцию электронов, но дифракция атомов оставалась загадкой. Атомы, будучи гораздо более массивными и сложными, чем электроны, сопротивлялись этому явлению, что существенно задерживало нашу способность изучать материю в ее самых элементарных масштабах. Идея однажды наблюдать дифракцию атома через кристалл казалась очень далекой.
Графен: технологическое откровение
Прорыв произошел благодаря графену — разновидности углерода, состоящей из одного слоя атомов, расположенных в гексагональной структуре. Этот ультратонкий материал толщиной всего в один атом обладает исключительными свойствами, включая высокую стабильность, электропроводность и необычайную прочность. Эти характеристики привлекли внимание ученых всего мира, которые быстро нашли ему применение в самых разных областях, от электроники до нанотехнологий.
Именно эта исключительная атомная структура позволила исследователям преодолеть главное препятствие в атомной дифракции. В то время как высокоэнергетические атомы часто повреждали традиционные кристаллы, используемые для дифракции, графен, благодаря своей тонкости и прочности, выдерживает столкновения с атомами, не разрушаясь. Группе исследователей под руководством Карины Каниц из Венского университета удалось наблюдать дифракцию атомов водорода и гелия через лист графена.
Результаты эксперимента, опубликованные в июле 2023 года, подтвердили фундаментальную гипотезу: даже атомы могут демонстрировать волнообразное поведение через кристаллы при условии, что условия эксперимента оптимальны, в частности, длительность взаимодействия атомов с кристаллом.
Исследователи наблюдали дифракционные картины с восемью взаимными векторами решетки, демонстрируя когерентность и точность дифракции. Секрет успеха заключается в короткой продолжительности взаимодействия между атомами и графеном. Такое короткое взаимодействие предотвращает чрезмерную передачу энергии, которая может повредить кристалл, позволяя атомам дифрагировать, не причиняя материального ущерба.
К новым рубежам в физике и нанотехнологиях
Этот прорыв в области дифракции атомов открывает новые перспективы в нанотехнологиях и физике материалов. Лучше понимая волнообразное поведение атомов, ученые смогут не только уточнить теоретические модели материи, но и разработать передовые технологии для манипулирования веществом в атомном масштабе. Это может оказать значительное влияние на такие области, как создание индивидуальных материалов, атомная визуализация и квантовое хранение информации.
Последствия для квантовых компьютеров и квантовой физики также огромны. Наблюдая за атомами, взаимодействующими с такими материалами, как графен, можно манипулировать ими и управлять ими с беспрецедентной точностью, что может сделать квантовые компьютеры более мощными и доступными. Кроме того, это может привести к лучшему пониманию таких квантовых явлений, как чередование и суперпозиция, которые лежат в основе технологий будущего.
Препринт с описанием эксперимента доступен через arXiv и еще не прошел рецензирование.
