Содержание
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.
Впервые исследователи выстреливают и «ловят» отдельные атомы с помощью лазеров
Впервые команде из Корейского института науки и технологии (KAIST) удалось создать «летающие атомы», запуская их из одного лазера в другой. По мнению исследователей, этот подход может быть использован в фундаментальных исследованиях, таких как низкоэнергетические одноатомные столкновения, а также в квантовых вычислениях на основе летающих кубитов.
В отличие от предыдущих экспериментов с использованием оптического пинцета для захвата и манипулирования отдельными атомами, здесь атомы не «направляются» лазерным лучом, который мог бы их поймать; они фактически выбрасываются одним пинцетом, а затем ловятся вторым, отмечает команда. «Одиночные атомы, перемещающиеся из одного места в другое, создадут летающую квантовую память, которая может быть использована как для квантовой связи, так и для квантовых вычислений», — объясняют Хансуб Хванг и его коллеги в своей статье.
Хотя преимущество летающих кубитов может быть утрачено, если они постоянно взаимодействуют с направляющими средствами, особенно в переполненной атомной решетке — кубиты очень чувствительны к внешним возмущениям — здесь это ограничение больше не возникает, поскольку время контакта между зажимами и атомами сокращено до минимума.
Исследователи сообщают о «скорости свободного полета 0,65 м/с на расстояние 12,6 микрометра, с эффективностью транспортировки 94%, даже в присутствии других оптических пинцетов или атомов на пути».
Оптические пинцеты — или однолучевые ловушки градиента силы — это приборы, использующие высокосфокусированный лазерный луч для захвата и перемещения микроскопических диэлектрических частиц (атомов, молекул, микробусинок, биологических объектов и т.д.).
Лазерный луч создает градиент электромагнитного поля. Диэлектрическая частица с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда, испытывает силу, которая тянет ее к этому градиенту интенсивности света. В то же время часть лазерного излучения отражается от частицы, создавая давление излучения, называемое силой рассеяния, которая стремится толкнуть частицу вдоль оси распространения. Таким образом, ловушка полагается на баланс между двумя противоположными силами: силой, обусловленной градиентом, и радиационным давлением, оказываемым рассеянием света на частице.
Движение луча изменяет баланс сил на частице, и частица мгновенно перемещается вместе с лучом.
Одиночные атомы, манипулируемые с помощью оптического пинцета, привлекают особое внимание из-за их перспективного использования в качестве элементарных носителей квантовой информации. В последние годы несколько сотен отдельных атомов были динамически перегруппированы с помощью оптического пинцета для формирования бездефектных атомных массивов.
Для своих экспериментов исследователи KAIST использовали чрезвычайно холодные атомы рубидия при температуре 40 мкК — на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Используя первый оптический пинцет, они нацеливались на атом, чтобы привести его в движение; затем включался второй лазер, чтобы «поймать его в полете» и привести в нужное место. Таким образом, оптические пинцеты используются уже не как «носители атомов», а как ускорители (пускатели) и замедлители (улавливатели) атомов, объясняют они.
Эта производительность ограничена только текущими настройками оптического пинцета, потенциальная глубина и ширина которого ограничены, отмечают исследователи.
«Эти летающие атомы имеют практическое преимущество для формирования бездефектных сетей атомов в квантовых вычислениях, основанных на взаимодействии атомов Ридберга», — резюмируют исследователи.
Следует отметить, что некоторые атомы в эксперименте не были успешно пойманы вторым оптическим пинцетом. Тем не менее команда указывает на перспективные будущие приложения в области квантовой обработки информации, такие как летающая квантовая память и квантовые вычисления на основе летающих атомов.
Этот подход может сделать возможным создание более мощных квантовых компьютеров из ультрахолодных атомов. В этих компьютерах каждый атом хранит информацию; атомы расположены в плотных сетках, чтобы они могли легко взаимодействовать с соседними атомами. По сравнению с методами наведения, использовавшимися до сих пор, возможность запуска атома в определенную точку на этой сетке является интересным подходом, поскольку это позволит исправить ошибки или заменить атом без нарушения окружающих атомов.
Команда также отмечает, что в квантовой обработке информации большинство современных архитектур квантовых вычислений статичны, поэтому взаимодействие между кубитами носит локальный характер. Летающие атомы могут позволить построить динамическую квантовую архитектуру.
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.
Исследователи впервые видят, как отдельные атомы отдаляются друг от друга или группируются в пары | MIT News
Если вы разольете газ по бутылкам и попытаетесь изобразить его атомы с помощью самых мощных на сегодняшний день микроскопов, вы увидите не более чем расплывчатое пятно. Атомы мчатся с молниеносной скоростью, и их трудно определить при температуре окружающей среды.
Однако, если эти атомы погрузить в сверхнизкие температуры, они замедлятся до ползания, и ученые смогут начать изучать, как они могут образовывать экзотические состояния материи, такие как сверхтекучие жидкости, сверхпроводники и квантовые магниты.
Физики из Массачусетского технологического института охладили газ атомов калия до нескольких нанокельвинов — чуть выше абсолютного нуля — и заперли атомы в двумерном листе оптической решетки, созданной перекрестными лазерами. Используя микроскоп высокого разрешения, исследователи сделали снимки охлажденных атомов, находящихся в решетке.
Изучая корреляции между положениями атомов на сотнях таких изображений, команда наблюдала, как отдельные атомы взаимодействуют довольно своеобразным образом в зависимости от их положения в решетке. Некоторые атомы демонстрировали «антиобщественное» поведение и держались подальше друг от друга, в то время как некоторые группировались вместе с чередующимися магнитными ориентациями. Другие, казалось, цеплялись друг за друга, создавая пары атомов рядом с пустыми пространствами или дырами.
Команда считает, что эти пространственные корреляции могут пролить свет на происхождение сверхпроводящего поведения. Сверхпроводники — это замечательные материалы, в которых электроны объединяются в пары и движутся без трения, а это означает, что в пути не теряется энергия. Если сверхпроводники смогут существовать при комнатной температуре, они могут открыть совершенно новую, невероятно эффективную эру для всего, что зависит от электроэнергии.
Мартин Цвирляйн, профессор физики и главный исследователь Центра ультрахолодных атомов NSF Массачусетского технологического института и его Исследовательской лаборатории электроники, говорит, что результаты его группы и экспериментальная установка могут помочь ученым определить идеальные условия для индукции сверхпроводимости.
«Извлекая уроки из этой атомной модели, мы можем понять, что на самом деле происходит в этих сверхпроводниках, и что нужно сделать, чтобы создать сверхпроводники с более высокой температурой, приближающейся, надеюсь, к комнатной температуре», — говорит Цвирляйн.
Результаты Цвирляйна и его коллег опубликованы в выпуске журнала Science от 16 сентября. В число соавторов входят экспериментаторы из Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и две теоретические группы из Университета штата Сан-Хосе, Университета штата Огайо, Университета Рио-де-Жанейро и Университета штата Пенсильвания.
«Атомы как заменители электронов»
Сегодня невозможно смоделировать поведение высокотемпературных сверхпроводников даже с помощью самых мощных компьютеров в мире, так как взаимодействия между электронами очень сильны. Вместо этого Цвирляйн и его команда стремились разработать «квантовый симулятор», используя атомы в газе в качестве заменителей электронов в сверхпроводящем твердом теле.
Группа основывала свое обоснование на нескольких исторических рассуждениях: во-первых, в 1925 Австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал то, что сейчас называется принципом запрета Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние — например, спин или позицию — в одно и то же время. Паули также постулировал, что электроны поддерживают определенную сферу личного пространства, известную как «дыра Паули».
Оказалось, что его теория объясняет периодическую таблицу элементов: различные конфигурации электронов порождают определенные элементы, в результате чего атомы углерода, например, отличаются от атомов водорода.
Итальянский физик Энрико Ферми вскоре понял, что тот же самый принцип можно применить не только к электронам, но и к атомам в газе: газ.
«Он также понял, что эти газы при низких температурах будут вести себя особым образом», — говорит Цвирляйн.
Британский физик Джон Хаббард затем включил принцип Паули в теорию, известную сейчас как модель Ферми-Хаббарда, которая представляет собой простейшую модель взаимодействующих атомов, прыгающих по решетке.
Сегодня считается, что эта модель объясняет основу сверхпроводимости. И хотя теоретики смогли использовать эту модель для расчета поведения сверхпроводящих электронов, они смогли сделать это только в ситуациях, когда электроны слабо взаимодействуют друг с другом.
«Это серьезная причина, по которой мы не понимаем высокотемпературные сверхпроводники, где электроны очень сильно взаимодействуют», — говорит Цвирляйн. «В мире нет классического компьютера, который может рассчитать, что произойдет при очень низких температурах с взаимодействующими [электронами]. Их пространственные корреляции также никогда не наблюдались in situ, потому что ни у кого нет микроскопа, чтобы рассмотреть каждый отдельный электрон».
Выделение личного пространства
Команда Цвирляйна стремилась разработать эксперимент для реализации модели Ферми-Хаббарда с атомами в надежде увидеть поведение ультрахолодных атомов, аналогичное поведению электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.
Группа ранее разработала экспериментальный протокол, чтобы сначала охладить газ атомов почти до абсолютного нуля, а затем заманить их в ловушку в двумерной плоскости решетки, созданной лазером. При таких сверхнизких температурах атомы замедлились настолько, что исследователи смогли впервые зафиксировать их на изображениях, когда они взаимодействовали через решетку.
На краях решетки, где газ был более разбавлен, исследователи наблюдали атомы, образующие отверстия Паули, сохраняющие определенное личное пространство внутри решетки.
«Они выделяют для себя небольшое пространство, где маловероятно найти второго парня внутри этого пространства», — говорит Цвирляйн.
Там, где газ был более сжат, команда обнаружила кое-что неожиданное: атомы были более приспособлены к тому, чтобы иметь близких соседей, и на самом деле были очень плотно сгруппированы. Эти атомы проявляли чередующиеся магнитные ориентации.
«Это красивые антиферромагнитные корреляции в шахматном порядке — вверх, вниз, вверх, вниз», — описывает Цвирляйн.
В то же время было обнаружено, что эти атомы часто прыгают друг на друга, создавая пару атомов рядом с пустым квадратом решетки. Это, по словам Цвирляйна, напоминает механизм, предложенный для высокотемпературной сверхпроводимости, в котором пары электронов, резонирующие между соседними узлами решетки, могут проноситься через материал без трения, если есть достаточное количество пустого пространства, чтобы пропустить их.
В конечном счете, говорит он, эксперименты группы с газами могут помочь ученым определить идеальные условия для возникновения сверхпроводимости в твердых телах.
Цвирляйн объясняет: «Для нас эти эффекты возникают при нанокельвинах, потому что мы работаем с разбавленными атомарными газами. Если у вас есть плотный кусок материи, такие же эффекты вполне могут происходить при комнатной температуре».
В настоящее время команде удалось достичь сверхнизких температур в газах, эквивалентных сотням кельвинов в твердых телах. По словам Цвирляйна, чтобы вызвать сверхпроводимость, группе придется охладить свои газы еще в пять раз или около того.