Цивилизация
Само по себе то обстоятельство, что атом хотя бы в принципе способен отбрасывать тень, физическим откровением не является. Направьте на него свет определенной частоты — и он поглотит часть фотонов, оставив таким образом на экране позади себя темный кружочек тени. По словам Дэвида Келпински, соавтора статьи, ученых главным образом интересовало минимальное количество атомов, необходимое для того, чтобы они отбросили различимую тень.<2>
В результате оказалось, что достаточно и одного. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Communications
Успех исследования, на которое ушло пять лет непрерывной работы, был отчасти обусловлен тем, что Университет Гриффита располагает оптическим микроскопом, который по прецизионности, как утверждается, не имеет себе равных в мире.
С каким-нибудь кислородом или литием такой фокус сегодня вряд ли пройдет: у них слишком мало электронов, способных поглощать фотоны, — здесь необходим был тяжелый элемент. Поэтому для создания атомной тени физики воспользовались ионом иттербия (174Yb+). Для того чтобы он не дергался в момент фотографирования, его поместили в камеру со сверхвысоким вакуумом, охладили до температуры в несколько милликельвинов и, поймав его в электрическую ловушку, прочно усадили на нужное место. Затем сквозь этот ион был направлен на цифровой фотодетектор пучок света определенной частоты, и фотодетектор зарегистрировал наличие темного пятна. <1>
Это первое в мире абсорбционное изображение одного-единственного атома и первое в мире изображение его тени.
Конечно, все было далеко не так просто: и оптика была посложней, и с частотой света пришлось повозиться, потому что стоило ей сбиться на миллиардную долю, и тень пропадала. Непростой была и настройка. Используя элементарные законы квантовой механики, ученые могли точно предсказать, насколько темной в идеале должна быть тень и какой у нее размер.
«Концептуально это предельно простая ситуация, — говорит Келпински. — Но в реальном мире все сложнее, и, сравнивая то, что получилось, с тем, что должно быть, мы имели возможность оценивать и затем убирать эффекты, «осветляющие» тень».
Ученые утверждают, что ими достигнут предел того, на что способна оптическая микроскопия.
Хотя это несомненное достижение на первый взгляд может показаться всего лишь очень профессиональной работой по калибровке очень хорошего микроскопа, оно таки действительно прорывное и имеет массу потенциальных применений. В первую очередь это касается формирования изображений таких биологических объектов, как ДНК или живая клетка: существующие методы с использованием ультрафиолета или рентгена неизбежно портят образцы, и фактически исследователи способны увидеть с их помощью уже убитые ткани, теряя таким образом массу необходимой информации.
Правда, ученые предупреждают, что переход от чисто физического эксперимента к биомикроскопии потребует проведения междисциплинарных исследований и может затянуться на годы.
Технология, разработанная группой из Брисбена, по словам ученых, также может дать атомной физике новый уникальный инструмент для исследований и, возможно, оказаться полезной в квантовых компьютерах будущего.