Физики впервые увидели, как атомы отталкивают друг друга

МОСКВА, 16 сен – РИА Новости. Ученые из MIT впервые смогли увидеть то, как атомы, охлажденные до околонулевых температур, отталкиваются друг от друга под действием сил межъядерного взаимодействия, что поможет создать "комнатные" сверхпроводники, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"У нас до сих пор нет четкого представления о том, как ведут себя атомы и электроны в сверхпроводниках. И поэтому мы не понимаем, как работают высокотемпературные сверхпроводники, где электроны очень сильно взаимодействуют друг с другом. Ни один обычный компьютер не может этого просчитать, и мы никогда не видели эти взаимодействия внутри материи, так как мы просто не можем увидеть отдельные электроны", — заявил Мартин Цвирляйн (Martin Zwierlein) из Массачусетского технологического института (США).

Цвирляйн и его коллеги смогли частично восполнить этот недостаток и приблизиться к решению проблемы, впервые проследив за тем, как взаимодействуют друг с другом атомы калия в облачке из металлического "газа", охлажденного до температуры, превышающей абсолютный ноль на несколько милликельвинов (минус 273 градуса Цельсия).

В таком состоянии, как рассказывают ученые, хаотичное броуновское движение атомов и молекул фактически прекращается, и при достаточно сильном сжатии их взаимодействием начинают управлять силы межатомного притяжения и отталкивания, возникающие в результате кулоновских взаимодействий между электронами и ядрами сталкивающихся атомов. 

Физики из MIT нашли оригинальный способ того, как заставить атомы вести подобные взаимодействия контролируемым образом, и как при этом можно следить за этими процессами при помощи нового типа электронного микроскопа – так называемого фермионного микроскопа, созданного в стенах MIT в прошлом году.

Он может определять и следить за направлением спина у электронов в каждом атоме калия в этом облаке, "обстреливая" их светом и наблюдая за тем, как меняются фотоны при взаимодействии с электронами.

Для наблюдений за столкновениями атомов ученые использовали специальную лазерную ловушку, которая позволила им "сплющить" облако и сделать его двумерным объектом. После этого они начали наращивать число атомов внутри облака и следить за тем, как меняется их спин в результате отталкивания атомов друг от друга и появления в этой "толкучке" кулоновских взаимодействий. 

Наблюдая за изменениями в спинах электронов и распределением заряда в облаке, ученые впервые смогли увидеть то, как отдельные атомы взаимодействуют друг с другом, и рассмотреть то, как положение атома относительно других частиц влияет на его поведение и движение. К примеру, ученые выяснили, что при определенных условиях – в частности, при сильном сжатии и при противоположных спинах – атомы часто объединяются в группы и пары, окруженные пустым "жизненным пространством".

Подобные облака атомов, по мнению физика, можно использовать в качестве своеобразного квантового симулятора для моделирования поведения  сверхпроводников и других форм материи, которые сегодня не до конца понимаются учеными и которые невозможно моделировать при помощи обычных компьютеров из-за чрезвычайно высокой сложности этой задачи.

Эти данные критически важны для понимания того, как движутся и взаимодействуют друг с другом пары электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, и раскрытия самой сути явления сверхпроводимости при температурах, близких к комнатным, заключает Цвирляйн.