Содержание
Фотография структуры атома водорода: квантовый микроскоп
Фотография орбитальной структуры атома водорода
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!
Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию.
Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Траектория движения электронов
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина [MCP].
Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
Примеры четырех состояний атома водорода. В среднем столбце приведены экспериментальные измерения, в то время как колонка справа показывает время-зависимое вычисление уравнений Шредингера — и они совпадают
Забегая вперед, скажем что ученые планируют использовать ту же технологию, чтобы посмотреть, как ведут себя атомы в магнитном поле.
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 18427
Запись опубликована: 25.05.2013
Автор: Максим Заболоцкий
Микромир: фотографии с помощью микроскопа
BBC News, Русская служба
Перейти к содержанию
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
В Австралии проходит выставка удивительных фотографий микроорганизмов. Практически все работы сделаны с помощью микроскопа австралийскими учеными.
Подпись к фото,
В Австралии проходит выставка удивительных фотографий микроорганизмов. Практически все работы сделаны с помощью микроскопа австралийскими учеными. Мшанки — крохотные водные, преимущественно морские, животные, которые формируют колонии. Длина каждой из них – всего несколько миллиметров. Организм уже умер, однако остался твердый скелет из карбоната кальция, который виден на снимке. Сквозь эти отверстия пища попадала к мшанкам, которые жили здесь. Размер: ширина около 500 микрон. Фото: Дэвида Солта из Австралийского национального университета.
Подпись к фото,
Хоботок ночной бабочки, которым она собирает нектар и другую жидкость. Зеленые части хоботка — сенсиллы, это вкусовые рецепторы бабочек. Размер: длина каждой сенсиллы около 38 микрон. Фото: Даррэна Брауна, Университет Квинслэнда.
Подпись к фото,
Найти и обезвредить! На снимке показано, как иммунная клетка-макрофаг атакует инородные тела, такие как бактерии — или в данном случае микрогранулы — полностью поглощая их и разрушая их уже внутри клетки.
Размер: ширина микрогранулы – около 3 микрон. Фото: сделано с помощью электронного микроскопа Даррэном Брауном, Университет Квинслэнда.
Подпись к фото,
Зуб хитона – примитивного морского моллюска, который питается скальными морскими водорослями. Для того, чтобы иметь достаточно сил обрабатывать камни, на его зубах присутствует железо (на снимке оранжевого цвета), и он постоянно меняет зубы. Размер: ширина около 1 микрон. Фото: Джереми Шоу, Университет Западной Австралии, и Алан Джоунс, Университет Сиднея.
Подпись к фото,
Два пыльцевых зерна австралийской акации. Наружная оболочка не только выполняет защитную функцию, но и помогает доставить сперматозоид растения в зародышевую клетку, чтобы получить семена, из которых могут вырасти новые растения. Размер: каждое пыльцевое зерно – около 44 микрон в диаметре. Фото: Роджер Хиди, Австралийский национальный университет.
Подпись к фото,
Остеобласт, костеобразующая клетка, растет на новом основании кости с тем, чтобы заменить поврежденную кость.
Основание сделано из оксида кальция и диоксида кремния с добавлением стронция и цинка с тем, чтобы помочь клеткам расти быстрее. Размер: ширина клеток около 23 микрон. Фото: Гуачен Ван и Зуфу Лу из Университета Сиднея.
Подпись к фото,
Красная зона – млечные протоки, окруженные соединительной тканью, результат биопсии пациента с раком груди. Соединительная ткань – зеленого цвета, а коллагенные волокна – бирюзового цвета. Фото: Артур Чиен, Элли Кейбл и Лилан Сунн, Университет Сиднея.
Подпись к фото,
Корень антарктического растения аир, на котором видно расположение клеток. Благодаря этому расположению клеток растение эффективно поглощает питательный азот. А это, в свою очередь позволяет аире выигрывать соревнование с другими растениями в условиях низких антарктических температур. Фото: Пета Клоуд, Университет Западной Австралии.
Подпись к фото,
Красные участки – это клетки, линейные капилляры которых питают сердечную мышцу (темный участок на заднем плане). Голубые точки – это ядро клеток.
Размер: ширина каждой ткани – 260 микрон. Фото: Пол Монаган, Трейси Хинтон, Ди Грин, Ким Уорк.
Подпись к фото,
Кристаллы в инновационном сверхтвердом металле. Белый и черный цвета показывают районы различного химического состава металла. На смежных снимках видна ориентация кристаллов белой области (вверху) и черной области (внизу). Размер: 253 микрон в ширину. Фото: Крис Барри, Ник Фергюсон, Пэт Тримби, Гвеннель Пруст и Джулии Карни, Университет Сиднея.
Подпись к фото,
Перевернутый вид образцов алюминиевого сплава. Каждая точка отдельного атома и цветовые блоки показывают, где атомы формируют различные кристаллы. Этот сплав содержит медь, магний, цинк и кремний. Небольшой размер кристаллов делает этот сплав очень сильным. Фото: Ган Ша и Батист Голт, Университет Сиднея.
Подпись к фото,
Картина дифракции электрона кристалла титаната стронция в электрическом поле, который показывает информацию об электрическом напряжении. Это помогает улучшить работу конденсаторов для всех видов электронных устройств.
Фото: Эндрю Джонсон, Университет Западной Австралии.
Прорыв в области визуализации позволяет выделить атомы с самым высоким разрешением
Физика
Просмотр 1 изображения
Исследователи из Корнельского университета сделали самые четкие из когда-либо сделанных снимков атомов. Благодаря новым алгоритмам шумоподавления изображения имеют такое высокое разрешение, что, по словам команды, они почти достигают предельно возможного предела.
Были получены изображения атомов в кристалле ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенные в 100 миллионов раз. Атомы отчетливо видны как яркие точки, окруженные красными «облаками», которые, по мнению исследователей, являются размытыми, созданными колебанием самих атомов.
Беспрецедентная ясность достигается сочетанием вещей. Во-первых, это общая техника, известная как электронная птихография, которая работает путем сканирования закономерностей рассеяния электронов материалом-мишенью. Выполняется несколько разных сканирований с областями, которые перекрываются между каждым сканом, и прибор фокусируется на том, какие изменения происходят в этих перекрывающихся областях между сканами. Это позволяет им лучше определять форму объекта, создавшего узор.
Сам детектор, известный как детектор массива пикселей электронного микроскопа (EMPAD), использует размытый луч, чтобы сначала захватить более широкий диапазон данных. Затем это размытие корректируется с помощью ряда алгоритмов, которые реконструируют данные, в конечном итоге создавая изображение с разрешением в масштабе пикометров или одной тысячной нанометра.
«С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем скорректировать все размытие нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор размытия, который у нас остался, — это тот факт, что сами атомы колеблются, потому что это то, что происходит с атомами в конечная температура», — говорит Дэвид Мюллер, ведущий автор исследования.
«Когда мы говорим о температуре, то, что мы на самом деле измеряем, — это средняя скорость, с которой колеблются атомы».
Фактически, команда говорит, что изображения приближаются к физическим пределам для самых высоких разрешений, возможных в этом масштабе. Тем не менее, есть несколько вещей, которые можно сделать, чтобы уменьшить размытие при покачивании — использовать более тяжелые атомы, которые меньше трясутся, или охладить образцы до абсолютного нуля, где это движение прекращается. Но даже в этом случае квантовые флуктуации все равно будут создавать некоторое размытие.
Исследователи говорят, что открытие может быть использовано для более пристального изучения компонентов квантового компьютера или биоимиджинга.
Исследование было опубликовано в журнале Science .
Источник: Корнельский университет
Майкл Ирвинг
Майкл всегда был очарован космосом, технологиями, динозаврами и странными тайнами вселенной. Имея за плечами степень бакалавра искусств в области профессионального письма и многолетний опыт работы, он присоединился к New Atlas в качестве штатного писателя в 2016 году.
Этот микроскоп показывает квантовый мир в безумных деталях
Просвечивающий электронный микроскоп был разработан, чтобы бить рекорды. С помощью пучка электронов ученые впервые увидели многие типы вирусов. Они использовали его для изучения частей биологических клеток, таких как рибосомы и митохондрии. С его помощью вы можете видеть отдельные атомы.
Но недавно эксперты раскрыли новый потенциал машины. «Это был очень резкий и внезапный сдвиг», — говорит физик Дэвид Мюллер из Корнельского университета. «Это было похоже на то, что все летали на бипланах, и вдруг появился реактивный лайнер».
Во-первых, команда Мюллера установила новый рекорд. Опубликовав в журнале Nature в июле этого года, они использовали свой телескоп для получения изображений с самым высоким разрешением на сегодняшний день. По его словам, для этого им пришлось создать специальные линзы для лучшей фокусировки электронов, что-то вроде «стекол» для микроскопа. Они также разработали сверхчувствительную камеру, способную быстро регистрировать отдельные электроны.
Их новые изображения показывают тонкий, как бритва, слой толщиной всего в два атома атомов молибдена и серы, связанных вместе. Они не только могли различать отдельные атомы, они могли даже видеть их, когда расстояние между ними составляло всего 0,4 ангстрема, что составляло половину длины химической связи. Они даже смогли обнаружить пробел в повторяющемся узоре материала, где отсутствовал атом серы. «Они смогли сделать это в первую очередь потому, что их электронная камера настолько хороша», — говорит физик Колин Офус из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, который не участвовал в работе.
Каждая точка на этом изображении представляет собой отдельный атом молибдена или серы из двух перекрывающихся, но скрученных листов толщиной в атом. Просвечивающий электронный микроскоп Корнельского университета, с помощью которого было сделано это изображение, в июле этого года побил рекорд для микроскопа с самым высоким разрешением. Дэвид Мюллер/Корнельский университет
Теперь остальные специалисты требуют оснастить свои прицелы аналогичными камерами, говорит Мюллер.
«Вы можете увидеть все то, чего раньше не могли», — говорит он. В частности, Мюллер изучает тонкие материалы толщиной от одного до двух атомов, обладающие необычными свойствами. Например, недавно физики обнаружили, что один тип тонкого материала при определенном наслоении становится сверхпроводящим. Мюллер считает, что микроскоп может помочь раскрыть механизмы, лежащие в основе таких свойств.
Когда дело доходит до микроскопического увеличения, электроны принципиально лучше, чем видимый свет. Это потому, что электроны, обладающие волнообразными свойствами благодаря квантовой механике, имеют длину волны в тысячу раз короче. Более короткие волны дают более высокое разрешение, так же как более тонкая нить может создать более сложную вышивку. «Электронные микроскопы — почти единственная игра в городе, если вы хотите смотреть на вещи в атомном масштабе», — говорит физик Бен МакМорран из Орегонского университета. Забрасывание материала электронами и обнаружение тех, которые прошли, дает детальное изображение этого материала.