Рука Бога. Як англійські вчені випадково зробили прорив у квантовій фізиці

11 вересня 2018, 20:02
Вы также можете прочесть этот материал на русском языке

Завдяки щасливому випадку група англійських фізиків відкрила спосіб маніпуляції окремо взятою молекулою з точністю до однієї мільярдної долі секунди. Ми можливо отримаємо спосіб керувати матерією на небаченому рівні точності.

Як це часто буває в науці, фантастичний і абсолютно непередбачуваний результат був досягнутий... зовсім випадково.

Вчені з університету Бат в Англії використовували тунельний мікроскоп для спостереження за атомами і отримали результат, який на перший погляд не мав сенсу. З'ясувалося, що підвищення сили електричного струму не призводило до прискорення спостережуваної реакції.

Відео дня

Спробувавши розібратися в тому, що відбувається, дослідники з'ясували, що натрапили на несподіваний спосіб маніпуляції молекулами. Якщо присунути датчик мікроскопа ближче до досліджуваної молекули, з'являється можливість маніпуляції її станом. Це відкриває нові неймовірні можливості для експериментів у наномасштабі, стверджують дослідники.

Результати їх роботи були опубліковані в авторитетному журналі Science.

Що відкрили?

Сканувальні тунельні мікроскопи використовуються для створення чітких, на рівні атомів, 2D- і 3D-зображень поверхні, сканованої за допомогою дуже маленького електричного зонда.

Принцип роботи сканувального тунельного мікроскопа заснований на ефекті квантового тунелювання. Який може здатися непідготовленій людині абсолютним маренням. Справа в тому, що в світі квантової механіки електрону відповідає хвильова функція, яка описує розподіл ймовірностей того, що електрон знаходиться в певному місці і несе певну енергію.

Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга неможливо визначити положення частинки з абсолютною точністю. Але якщо електрон знаходиться поруч з "бар'єром", в ролі якого виступає проміжок між кінчиком зонда тунельного мікроскопа і поверхнею, на якій знаходиться частинка, виникає ймовірність того, що електрон може виявитися по інший бік цього бар'єру.

Як часто жартують на цю тему фізики - на відміну від звичайного світу, в квантовому світі, якщо кинути м'ячик в стіну, він не відскочить, а пройде крізь неї. Тунельний мікроскоп бачить об'єкти і навіть може переміщати їх за допомогою саме таких тунелів.

Під час експерименту, який призвів до цього вражаючого відкриття, вчені спостерігали за тим, що відбувається з молекулою, коли в неї вдаряються окремі електрони. Вчені управляли рухом електронів, змінюючи силу електричного струму.

Кумедно, що незвичайні результати експерименту були спочатку в буквальному сенсі викинуті в кошик для сміття. Але в команді дослідників виявилася молодий фізик Христина Русімова, яка залишилася попрацювати на вихідних. І випадково виявила незвичайні результати експерименту.

"Це була остання перевірка, про всяк випадок, - розповідає Русімова. І несподівано виявилося, що крива на одному з графіків спрямовується вниз, в той час як повинна була йти вгору".

Русімова звернула увагу своїх колег на цю аномалію. Вчені повторили експеримент з тими ж умовами, наблизивши кінчик зонда тунельного мікроскопа на відстань всього 1/600 трлн метра від молекули толуолу. Електрон, спрямований на молекулу після цього, "відскочив" від неї зі швидкістю в 100 разів швидше, ніж в попередніх експериментах. Фактично, кінчик зонда мікроскопа взаємодіючи з молекулою, "підняв" її над кремнієвою пластиною.

"Наше дослідження вказує на новий спосіб контролювати окремо взяту молекулу, - пояснює фізик Пітер Слоан, один з учасників роботи. - Говорячи простою мовою, у нас з'являється новий інструмент для експериментів на нанорівні".

За його словами, робота з об'єктами таких масштабів неймовірно складна, однак отримана технологія вже довела свою ефективність.

Чому це важливо?

Отже, під час експерименту тунельний мікроскоп не просто виміряв взаємодію електрона і молекули, а й вплинув на нього.

На квантовому рівні сталося ось що - при дуже великому зближенні виник новий квантовий стан кінчика зонда і молекули, припускають дослідники. Це в свою чергу призвело до виникнення нового "тунелю", по якому вирушив електрон після зіткнення з молекулою. Час зіткнення таким чином скоротився.

Володіючи таким інструментом, вчені можуть не тільки спостерігати за зіткненням електронів і молекул, а й браати в ньому безпосередню участь.

За думку Слоана, відкриття дає величезні надії на швидкий прорив у сфері квантової фізики. Ми поки ще багато чого не знаємо про фізику квантового світу, пояснює він, і такі інструменти вкрай важливі.

"Тепер головною метою наших досліджень буде створення інструментів контролю матерії в найменших масштабах", - говорить Слоан.

Вже сьогодні нанотехнології застосовуються в найрізноманітніших цілях, наприклад, для захисту металів від корозії, створення вологостійкої тканини і хімічних каталізаторів, а також розробки легких і міцних матеріалів.

Але це тільки квіточки, припускають вчені. Ми досі не маємо можливості оперувати індивідуальними молекулами. А тут відкриваються перспективи, в порівнянні з якими вологостійкі куртки просто блякнуть.

Потенціал у таких досліджень просто колосальний. Це може бути, наприклад, розрив хімічних зв'язків між молекулами, які природа "забороняє" нам розривати іншими способами. Або ж створення молекулярної архітектури, яку забороняють закони термодинаміки макросвіту, підсумовує Слоан.

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X