Содержание
В новаторском эксперименте физики научились захватывать отдельные атомы / Хабр
Через камеру микроскопа просматривается охлажденное лазером атомное облако. Предоставлено: Университет Отаго
В первом для квантовой физики исследовании ученые Университета Отаго «удерживали» отдельные атомы на месте и наблюдали ранее невидимые сложные атомные взаимодействия.
Множество приборов, включая лазеры, зеркала, вакуумную камеру и микроскопы, собранные в физическом отделе Отаго, плюс много времени, энергии и опыта, обеспечили исследование этого квантового процесса, который до этого момента был просчитан только через статистическое усреднение экспериментов с большим количеством атомов.
Эксперимент улучшает современные знания, предлагая ранее невидимый взгляд на микроскопический мир и удивляя исследователей результатами.
«Наш метод включает в себя индивидуальное улавливание и охлаждение трех атомов до температуры около одной миллионной Кельвина с помощью высокофокусированных лазерных лучей в гипервакуумной камере размером с тостер.
Мы медленно объединяем ловушки, содержащие атомы, чтобы произвести контролируемые взаимодействия и измерить их», — говорит доцент Миккель Ф. Андерсен из Физического факультета Отаго.
Когда три атома приближаются друг к другу, два образуют молекулу, и все они получают удар от энергии, высвобождаемой в процессе. Камера микроскопа позволяет увеличить и рассмотреть этот процесс.
Миккель Андерсен (слева) и Марвин Вейланд в физической лаборатории. Предоставлено: Университет Отаго
«Два атома сами по себе не могут образовать молекулу, для химии требуется по меньшей мере три. Наша работа — это первый случай, когда этот основной процесс был изучен изолированно, и оказалось, что он дал несколько удивительных результатов, которые мы не ожидали увидеть», — говорит доктор наук Марвин Вейланд, возглавлявший эксперимент.
Например, исследователи смогли увидеть точный результат отдельных процессов и наблюдали новый процесс, когда два атома покидают эксперимент вместе.
До сих пор этот уровень детализации невозможно было наблюдать в экспериментах со множеством атомов.
«Работая на этом молекулярном уровне, мы узнаем больше о том, как атомы сталкиваются и реагируют друг с другом. С развитием эта технология могла бы обеспечить способ построения и управления отдельными молекулами определенных химических веществ», — добавляет Вейланд.
Доцент Андерсен допускает, что техника и уровень детализации могут быть трудны для понимания тем, кто находится за пределами мира квантовой физики, однако он считает, что применение этой науки будет полезно в развитии будущих квантовых технологий, которые могут повлиять на общество так же, как предыдущие квантовые технологии, которые позволили создать современные компьютеры и интернет.
«Исследования, проведенные всё в меньшем и меньшем масштабе, послужили основой для большинства технологических разработок за последние десятилетия. Например, это единственная причина, по которой современные мобильные телефоны обладают большей вычислительной мощностью, чем суперкомпьютеры 1980-х гг.
, и я буду очень рад видеть, как наши открытия повлияют на технологические достижения в будущем», — говорит доцент Андерсен.
Результаты эксперимента показали, что формирование молекулы заняло гораздо больше времени, чем ожидалось, по сравнению с другими экспериментами и теоретическими расчетами, которые в настоящее время недостаточны для объяснения этого явления. Хотя исследователи предлагают механизмы, которые могут объяснить это несоответствие, они подчеркивают необходимость дальнейших теоретических разработок в области экспериментальной квантовой механики.
Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!
Физики впервые сфотографировали отдельные атомы, плавающие в жидкости
Поиск по сайту
Наука
27 июля 2022
Далее
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Исследователи создали крошечные «капсулы» из графена, чтобы получить изображения отдельных атомов, плавающих в жидкости.
Читайте «Хайтек» в
Ученые использовали просвечивающий электронный микроскоп для визуализации отдельных атомов. Эта технология не впервые применяется для визуализации объектов атомарного масштаба, но требует вакуума для проведения наблюдений. В своей работе, опубликованной в журнале Nature, физики использовали герметичные капсулы из графена, чтобы избежать искажений, вызванных вакуумом.
Для наблюдения взаимодействия жидкостей и твердых тел ученые использовали двойную графеновую жидкую ячейку, состоящую из центрального монослоя дисульфида молибдена, отделенного гексагональными прокладками из нитрида бора от двух окружающих графеновых окон. С помощью этой конструкции им удалось наблюдать движение адатомов платины в соленом растворе.
Движение адатомов платины в жидкости. Видео: Adi Gal-Greenwood, The University of Manchester
Анализируя движение атомов на видео и сравнивая их с теоретическими расчетами, исследователи смогли понять влияние жидкости на поведение атомов.
Они обнаружили, что жидкость ускоряет движение атомов, а также меняет их предпочтительные места покоя по отношению к нижележащему твердому телу.
Исследователи объясняют, что при контакте твердой поверхности с жидкостью, оба вещества меняют свою конфигурацию в ответ на близость друг друга. Такие взаимодействия атомного масштаба на границах твердой и жидкой фаз используются в работе батарей и топливных элементов для производства чистой электроэнергии, а также определяют эффективность производства чистой воды и лежат в основе многих биологических процессов.
Исследователи использовали свой метод для изучения материала, который можно будет применять для производства зеленого водорода. Но технология носит универсальный характер и может пригодиться в различных приложениях.
Изображение на обложке: The University of Manchester
Читать далее:
Появилась новая убедительная теория, почему разрушилась цивилизация майя
Сверхзвуковой самолет будет летать со скоростью 2 000 км/ч и пересечет океан за 3,5 часа
Создан квантовый компьютер, который «вышел за пределы двоичной системы»
Читать ещё
Поздравляем, вы оформили подписку на дайджест Хайтека! Проверьте вашу почту
Спасибо, Ваше сообщение успешно отправлено.
Манипулирование атомами по одному с помощью электронного луча | Новости Массачусетского технологического института
Высшей степенью контроля для инженеров будет способность создавать материалы и манипулировать ими на самом базовом уровне, производя устройства атом за атомом с точным контролем.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института, Венского университета и нескольких других институтов сделали шаг в этом направлении, разработав метод, который может перемещать атомы с помощью остро сфокусированного электронного луча и контролировать их точное местоположение и ориентацию связи. Открытие может в конечном итоге привести к новым способам создания квантовых вычислительных устройств или датчиков и открыть новую эру «атомной инженерии», говорят они.
Достижение описано сегодня в журнале Science Advances , в статье профессора ядерной науки и техники Массачусетского технологического института Джу Ли, аспиранта Конг Су, профессора Тома Суси из Венского университета и 13 других сотрудников Массачусетского технологического института, Венский университет, Окриджская национальная лаборатория, а также в Китае, Эквадоре и Дании.
«Мы используем множество инструментов нанотехнологий, — объясняет Ли, занимающий совместную должность в области материаловедения и инженерии. Но в новом исследовании эти инструменты используются для управления процессами, которые еще на порядок меньше. «Цель состоит в том, чтобы контролировать от одного до нескольких сотен атомов, контролировать их положение, контролировать их состояние заряда и контролировать их электронные и ядерные спиновые состояния», — говорит он.
В то время как другие ранее манипулировали положением отдельных атомов, даже создавая аккуратный круг атомов на поверхности, этот процесс включал захват отдельных атомов на игольчатом наконечнике сканирующего туннельного микроскопа, а затем опускание их в нужное положение. относительно медленный механический процесс. Новый процесс манипулирует атомами с помощью релятивистского электронного луча в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе (STEM), поэтому он может полностью контролироваться электронным способом с помощью магнитных линз и не требует механических движущихся частей.
Это делает процесс потенциально намного быстрее и, следовательно, может привести к практическим применениям.
Используя электронное управление и искусственный интеллект, «мы думаем, что в конечном итоге сможем манипулировать атомами в микросекундном масштабе», — говорит Ли. «Это на много порядков быстрее, чем мы можем манипулировать ими сейчас с помощью механических зондов. Кроме того, должна быть возможность одновременного воздействия множества электронных лучей на один и тот же кусок материала».
«Это захватывающая новая парадигма манипулирования атомами, — говорит Сьюзи.
Компьютерные чипы обычно изготавливаются путем «легирования» кристалла кремния другими атомами, необходимыми для придания определенных электрических свойств, что приводит к созданию «дефектов» в материале — областей, которые не сохраняют идеально упорядоченную кристаллическую структуру кремния. Но этот процесс носит разрозненный характер, объясняет Ли, поэтому невозможно с атомарной точностью контролировать, куда попадают эти легирующие атомы.
По его словам, новая система обеспечивает точное позиционирование.
Один и тот же электронный луч можно использовать для выбивания атома как из одного положения, так и в другое, а затем «считывать» новое положение, чтобы убедиться, что атом оказался там, где должен был, говорит Ли. Хотя позиционирование в основном определяется вероятностями и не является точным на 100%, способность определять фактическое положение позволяет выбирать только те, которые оказались в правильной конфигурации.
Атомный футбол
Мощность очень узко сфокусированного электронного луча, шириной примерно с атом, выбивает атом из его положения, и, выбирая точный угол луча, исследователи могут определить, где он находится. скорее всего закончится. «Мы хотим использовать луч, чтобы выбивать атомы и, по сути, играть в атомный футбол», — говорит он, направляя атомы по графеновому полю в их предполагаемую «целевую» позицию.
«Как и в футболе, это не детерминировано, но вы можете контролировать вероятности», — говорит он.
«Как и в футболе, вы всегда пытаетесь двигаться к цели».
В экспериментах команда в основном использовала атомы фосфора, обычно используемую легирующую примесь, в листе графена, двумерном листе атомов углерода, расположенных в виде сот. Атомы фосфора в конечном итоге заменяют атомы углерода в частях этой структуры, тем самым изменяя электронные, оптические и другие свойства материала способами, которые можно предсказать, если известны положения этих атомов.
В конечном счете, цель состоит в том, чтобы перемещать несколько атомов сложным образом. «Мы надеемся использовать электронный луч для перемещения этих примесей, чтобы мы могли построить пирамиду или какой-то комплекс дефектов, где мы могли бы точно указать, где находится каждый атом», — говорит Ли.
Впервые в графене манипулировали электронно-различными атомами легирующей примеси. «Хотя мы и раньше работали с примесями кремния, фосфор потенциально более интересен своими электрическими и магнитными свойствами, но, как мы теперь обнаружили, также ведет себя совершенно по-другому.
Каждый элемент может таить в себе новые сюрпризы и возможности», — добавляет Сьюзи.
Система требует точного управления углом и энергией луча. «Иногда мы получаем нежелательные результаты, если не проявляем осторожности», — говорит он. Например, иногда атом углерода, который должен был оставаться на месте, «просто уходит», а иногда атом фосфора фиксируется на месте в решетке, и «тогда, как бы мы ни меняли угол луча, мы не можем повлиять на его положение. Мы должны найти другой мяч». Теоретическая основа который отслеживает импульс «футбольного мяча». «Мы провели эти эксперименты, а также предоставили теоретическую основу того, как контролировать этот процесс», — говорит Ли.
Каскад эффектов, возникающих в результате начального луча, происходит в течение нескольких временных масштабов, говорит Ли, что затрудняет проведение наблюдений и анализа. Фактическое начальное столкновение релятивистского электрона (движущегося со скоростью около 45 процентов скорости света) с атомом происходит в масштабе зептосекунд — триллионных долей миллиардной доли секунды, — но результирующее движение и столкновения атомов в решетке разворачивается во временных масштабах пикосекунд или дольше — в миллиарды раз дольше.
Атомы примеси, такие как фосфор, имеют ненулевой ядерный спин, что является ключевым свойством, необходимым для квантовых устройств, поскольку на это спиновое состояние легко влияют элементы окружающей среды, такие как магнитные поля. Таким образом, способность точно размещать эти атомы с точки зрения положения и связи может стать ключевым шагом на пути к разработке квантовых устройств обработки информации или датчиков, говорит Ли.
«Это важное достижение в этой области», — говорит Алекс Зеттл, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, не участвовавший в этом исследовании. «Примесные атомы и дефекты в кристаллической решетке лежат в основе электронной промышленности. По мере того, как твердотельные устройства становятся меньше, вплоть до нанометрового размера, становится все более важным точно знать, где находится отдельный примесный атом или дефект и каково его атомное окружение. Чрезвычайно сложной задачей является создание масштабируемого метода контролируемого манипулирования отдельными атомами или их размещения в нужных местах, а также точного прогнозирования того, какое влияние это размещение окажет на производительность устройства».
Зеттл говорит, что эти исследователи «добились значительного прогресса в достижении этой цели. Они используют сфокусированный электронный пучок умеренной энергии, чтобы вызвать желаемую перегруппировку атомов, и наблюдают в реальном времени на атомном уровне за тем, что они делают. Элегантный теоретический трактат с впечатляющей предсказательной силой дополняет эксперименты».
Помимо ведущей команды Массачусетского технологического института, в международном сотрудничестве приняли участие исследователи из Венского университета, Университета Китайской академии наук, Орхусского университета в Дании, Национальной политехнической школы в Эквадоре, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Сычуаньского университета в Китае. Работа была поддержана Национальным научным фондом, Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Австрийским научным фондом, Европейским исследовательским советом, Датским советом по независимым исследованиям, Китайской академией наук и Министерством науки и техники США.
Энергия.
Этот микроскоп может видеть до отдельных атомов
Граница зерна в кристалле иттрий-алюминиевого граната. Изображение: Q M Ramasse, M Schaffer SuperSTEM Laboratory, K Marquardt GFZ Postdam
FYI.
Этой истории больше 5 лет.
По мере того, как наши устройства становятся все меньше, уменьшаются и материалы, которые мы используем для их изготовления. А это значит, что вам нужно подойти очень близко, чтобы увидеть их. Очень близко. Новый электронный микроскоп, представленный на национальном объекте SuperSTEM в Великобритании, позволяет получать изображения объектов с беспрецедентным разрешением вплоть до отдельных атомов.
SuperSTEM финансируется Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC) и имеет три электронных микроскопа, которые могут использовать британские ученые. Новейший был представлен в прошлом месяце: сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп Nion Hermes стоимостью 3,7 миллиона фунтов стерлингов (5,5 миллиона долларов США), который, по словам EPSRC, является одним из трех в мире.
Он может отображать объекты в миллион раз меньше человеческого волоса.
Реклама
Ограненная нанопустота в алмазе. SuperSTEM использовался для понимания происхождения коричневого цвета природного алмаза. Изображение: Годфри И. (Лаборатория SuperSTEM, Манчестерский университет)
«По сути, мы можем смотреть на материалы или большинство вещей, которые мы помещаем в микроскоп, вплоть до атомного масштаба», — сказал Квентин Рамас, научный директор лаборатории SuperSTEM. «Таким образом, мы можем регулярно видеть отдельные атомы и столбцы атомов».
Это потому, что в электронных микроскопах используется пучок электронов, а не фотонов, как в обычном световом микроскопе. Поскольку у электронов длина волны гораздо короче, чем у фотонов, вы можете получить гораздо большее увеличение и лучшее разрешение.
HAADF-микрофотография богатого медью и серебром осадка в сплаве на основе алюминия. Изображение: Ф. С. Хаге, Д. М. Кепаптсоглу, К. М. Рамассе, лаборатория SuperSTEM и С.
Веннер (Норвежский технический национальный университет, Тронхейм)
Зачем вам вообще хотеть видеть что-то настолько подробное? Наиболее очевидным, по словам Рамаса, является то, что мы всегда пытаемся миниатюризировать устройства, а это означает, что нам необходимо миниатюризировать такие детали, как транзисторы и полупроводники, «а это означает, что вам нужно разрабатывать материалы или компоненты материалов, которые действительно меньше».
Доходит до того, что изменение материала даже на атом или два может изменить его свойства. Подумайте, например, о графене, представляющем собой чудо-материал: двумерный слой атомов углерода. Добавьте еще один атом здесь или там, и вы изменили материал и потенциально изменили то, что он может делать. Поэтому важно следить за точной структурой.
Один проект SuperSTEM был связан с центрами по другому двумерному материалу, дисульфиду молибдена. Его можно использовать в качестве промышленного катализатора, например, для удаления серы из ископаемого топлива.
Датская химическая компания Haldor Topsoe использовала электронные микроскопы, чтобы изучить, как перегруппировка атомов может повлиять на его каталитические свойства.
Реклама
В какой-то степени это просто вопрос возможности видеть то, что есть на самом деле.
Наночастица дисульфида молибдена толщиной в один атом на тонкой графитовой подложке. чтобы проверить, достаточно ли молекула лекарства прикреплена к наночастице, действующей в качестве средства доставки лекарства, поскольку «вы хотите убедиться, что связь прочная, чтобы она не исчезла в организме».
И в то время как наиболее очевидные приложения находятся в химии, он сказал, что микроскопы также используются для некоторых вещей «немного больше», таких как изучение кристаллической структуры частиц пыли из метеоритов. Это крупный план для далеких.
Этот рассказ является частью серии «Строительные блоки всего», серии рассказов о науке и технологиях на тему материалов. Узнайте больше здесь: http://motherboard.