原子がどのように結合して分子を形成するかを理解するには、それらを実際に捕らえる必要があります。 しかし、これを行うには、物理学者は、相互作用が記録されるのに十分な時間、原子を停止させる必要があります。
これは簡単な作業ではありませんが、オタゴ大学の物理学者によって成功しました。
これまでのところ、原子のさまざまな相互作用の複雑さを理解するための最良の方法は、粒子のクラスター間の平均値に基づいて相関を計算することでした。
このクラウドソースバージョンの原子技術は、多くの有用な科学を提供しますが、他の粒子が散乱して融合する原因となる個々の粒子間の衝突と粉砕衝突の重要な詳細を把握できません。
同じ空間で複数の原子をキャプチャできたとしても、衝突するたびに原子が実験から外れる可能性があります。
このような衝突を分析する1つの方法は、小さなピンセットのペアに相当する孤立した原子をつかみ、静止させて、変化が発生したときに記録することです。
幸いなことに、そのようなピンセットのペアが存在します。 特別に調整された偏光から作られたこれらのレーザープライヤーは、小さな物体の光学トラップとして機能します。
光の波長が比較的短いことを考えると、実験者は単一の原子のような小さなものを捕まえる可能性が高くなります。 もちろん、最初に原子を冷却して捕まえやすくしてから、空のスペースでそれらを選択する必要があります。
物理学研究所のMikkelAndersen(左)とMarvinWeiland。
簡単そうですね。 しかし、このプロセスを達成するには、適切なテクノロジーと多くの忍耐力が必要です。
「私たちの方法では、トースターほどの大きさの超真空(真空)チャンバー内で高集束レーザービームを使用して、3つの原子を個別に捕捉し、約100万ケルビンまで冷却します」と物理学者のMikkel F.Andersenは述べています。
「私たちは、原子を含むトラップをゆっくりと組み合わせて、測定する制御された相互作用を生み出しています。」
この場合、すべての原子は結合してジルビジウム分子を形成するさまざまなルビジウムでしたが、2つの原子だけではこれを達成するのに十分ではありません。
「2つの原子は分子を形成できません。化学には少なくとも3つが必要です」と物理学者のマービン・ウェイランドは言います。
これがどのように発生するかをモデル化することは、実際の課題です。 明らかに、2つの原子は結合を形成するのに十分に接近する必要があり、3番目の原子は結合エネルギーの一部を取り除いて結合したままにします。
分子を構築するために2つの原子がどのように出会うかという数学を理解することは困難です。 すべての行動を考慮に入れることは悪夢になる可能性があります。
理論的には、原子間の3つの物体の再結合により、それらはトラップを離れることを余儀なくされます。これは通常、複数の原子間の相互作用を研究しようとする物理学者にとって別の問題を追加します。
チームは専用のカメラを使用して変化を観察し、ルビジウム粒子が互いに接近した瞬間を捉え、損失率が予想ほど高くないことを発見しました。
実際、これは、既存のモデルが説明するほど速く分子が組み立てられなかったことも意味します。
原子の制限と量子短距離効果についての何かがこの遅さを説明するのに役立つかもしれませんが、これが予想外であるという事実は、このプロセスを通じて多くの物理学を探求できることを意味します。
「開発により、この技術は特定の化学物質の個々の分子を作成および制御する方法を提供する可能性があります。」
さらなる実験は、これらのモデルを改良して、原子のグループがどのように連携してさまざまな条件下で出会い、結合するかをよりよく説明するのに役立ちます。
絶え間なく進歩する技術の世界では、微視的回路と高度な薬剤が一度に1つの化合物で原子ごとに構築されるプロセスの必要性を想像するのは難しいことではありません。
「私たちの研究は、非常に小さなスケール、つまり原子スケールで構築する能力への道を開くことを目指しています。私たちの発見が将来の技術進歩にどのように影響するかを見るのは非常に興奮しています」とアンダーセンは言います。
この研究はPhysicalReviewLettersに掲載されました。
出典：写真：オタゴ大学
