Физики впервые увидели, как атомы отталкивают друг друга

Ученые из MIT впервые смогли увидеть то, как атомы, охлажденные до околонулевых температур, отталкиваются друг от друга под действием сил межъядерного взаимодействия, что поможет создать "комнатные" сверхпроводники, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"У нас до сих пор нет четкого представления о том, как ведут себя атомы и электроны в сверхпроводниках. И поэтому мы не понимаем, как работают высокотемпературные сверхпроводники, где электроны очень сильно взаимодействуют друг с другом. Ни один обычный компьютер не может этого просчитать, и мы никогда не видели эти взаимодействия внутри материи, так как мы просто не можем увидеть отдельные электроны", — заявил Мартин Цвирляйн (Martin Zwierlein) из Массачусетского технологического института (США).

Цвирляйн и его коллеги смогли частично восполнить этот недостаток и приблизиться к решению проблемы, впервые проследив за тем, как взаимодействуют друг с другом атомы калия в облачке из металлического "газа", охлажденного до температуры, превышающей абсолютный ноль на несколько милликельвинов (минус 273 градуса Цельсия).

В таком состоянии, как рассказывают ученые, хаотичное броуновское движение атомов и молекул фактически прекращается, и при достаточно сильном сжатии их взаимодействием начинают управлять силы межатомного притяжения и отталкивания, возникающие в результате кулоновских взаимодействий между электронами и ядрами сталкивающихся атомов. 

Физики из MIT нашли оригинальный способ того, как заставить атомы вести подобные взаимодействия контролируемым образом, и как при этом можно следить за этими процессами при помощи нового типа электронного микроскопа – так называемого фермионного микроскопа, созданного в стенах MIT в прошлом году.

Он может определять и следить за направлением спина у электронов в каждом атоме калия в этом облаке, "обстреливая" их светом и наблюдая за тем, как меняются фотоны при взаимодействии с электронами.

Для наблюдений за столкновениями атомов ученые использовали специальную лазерную ловушку, которая позволила им "сплющить" облако и сделать его двумерным объектом. После этого они начали наращивать число атомов внутри облака и следить за тем, как меняется их спин в результате отталкивания атомов друг от друга и появления в этой "толкучке" кулоновских взаимодействий. 

Наблюдая за изменениями в спинах электронов и распределением заряда в облаке, ученые впервые смогли увидеть то, как отдельные атомы взаимодействуют друг с другом, и рассмотреть то, как положение атома относительно других частиц влияет на его поведение и движение. К примеру, ученые выяснили, что при определенных условиях – в частности, при сильном сжатии и при противоположных спинах – атомы часто объединяются в группы и пары, окруженные пустым "жизненным пространством".

Подобные облака атомов, по мнению физика, можно использовать в качестве своеобразного квантового симулятора для моделирования поведения  сверхпроводников и других форм материи, которые сегодня не до конца понимаются учеными и которые невозможно моделировать при помощи обычных компьютеров из-за чрезвычайно высокой сложности этой задачи.

Эти данные критически важны для понимания того, как движутся и взаимодействуют друг с другом пары электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, и раскрытия самой сути явления сверхпроводимости при температурах, близких к комнатным, заключает Цвирляйн.

Джерело