Um zu verstehen, wie Atome sich zu Molekülen verbinden, müssen wir sie in Aktion fangen. Dazu müssen die Physiker die Atome lange genug anhalten lassen, damit ihre Wechselwirkungen aufgezeichnet werden können.
Dies ist keine leichte Aufgabe, wurde aber von Physikern der Universität von Otago gelungen.
Bisher bestand der beste Weg, die Feinheiten der verschiedenen Wechselwirkungen von Atomen zu verstehen, darin, Korrelationen auf der Grundlage der Mittelwerte zwischen einem Partikelcluster zu berechnen.
Diese Crowdsourcing-Version der Atomtechnologie bietet eine Menge nützlicher wissenschaftlicher Erkenntnisse, erfasst jedoch nicht die wichtigsten Details von Kollisionen und Quetschkollisionen zwischen einzelnen Partikeln, die dazu führen, dass andere Teilchen streuen und verschmelzen.
Selbst wenn Sie es schaffen, mehrere Atome im selben Raum einzufangen, kann jede Kollision dazu führen, dass die Atome aus Ihrem Experiment herauskommen.
Eine Möglichkeit, solche Kollisionen zu analysieren, besteht darin, isolierte Atome mit dem Äquivalent einer winzigen Pinzette zu greifen, sie ruhig zu halten und Änderungen aufzuzeichnen, sobald sie auftreten.
Glücklicherweise gibt es eine solche Pinzette. Diese Laserzange besteht aus speziell ausgerichtetem polarisiertem Licht und kann als optische Falle für winzige Objekte dienen.
Angesichts der relativ kurzen Wellenlängen des Lichts hat der Experimentator gute Chancen, etwas so Winziges wie ein einzelnes Atom einzufangen. Natürlich müssen Sie zuerst die Atome abkühlen, damit sie leichter erfasst werden können, und sie dann im leeren Raum auswählen.
Mikkel Andersen (links) und Marvin Weiland im Physiklabor.
Es klingt einfach. Der Prozess erfordert jedoch die richtige Technologie und viel Geduld.
„Unsere Methode besteht darin, drei Atome mithilfe hochfokussierter Laserstrahlen in einer Hypervakuumkammer (Vakuum) von der Größe eines Toasters einzeln einzufangen und auf etwa ein Millionstel Kelvin abzukühlen“, sagt der Physiker Mikkel F. Andersen.
“Wir kombinieren langsam Fallen, die Atome enthalten, um kontrollierte Wechselwirkungen zu erzeugen, die wir messen.”
In diesem Fall waren alle Atome Sorten von Rubidium, die sich unter Bildung von Dirubidiummolekülen binden, aber zwei Atome allein reichen nicht aus, um dies zu erreichen.
“Zwei Atome können kein Molekül bilden; für die Chemie sind mindestens drei erforderlich”, sagt der Physiker Marvin Weiland.
Zu modellieren, wie dies geschieht, ist eine echte Herausforderung. Es ist klar, dass zwei Atome nahe genug kommen müssen, um eine Bindung zu bilden, während das dritte einen Teil dieser Bindungsenergie wegnimmt, um sie gebunden zu lassen.
Es ist schwierig, die Mathematik zu erarbeiten, wie sich nur zwei Atome treffen, um ein Molekül aufzubauen. Die Berücksichtigung aller Aktionen kann ein Albtraum sein.
Theoretisch sollte die Rekombination von drei Körpern zwischen Atomen sie zwingen, die Falle zu verlassen, was normalerweise ein weiteres Problem für Physiker darstellt, die versuchen, Wechselwirkungen zwischen mehreren Atomen zu untersuchen.
Mit einer speziellen Kamera beobachtete das Team den Moment, in dem sich die Rubidiumpartikel näherten, und stellte fest, dass die Verlustrate nicht so hoch war wie erwartet.
Tatsächlich bedeutet dies auch, dass sich die Moleküle nicht so schnell zusammensetzten, wie es bestehende Modelle erklären könnten.
Etwas über die Begrenzung von Atomen und Quanten-Nahbereichseffekten mag helfen, diese Langsamkeit zu erklären, aber die Tatsache, dass dies unerwartet ist, bedeutet, dass durch diesen Prozess viel Physik erforscht werden kann.
“Mit der Entwicklung kann diese Methode eine Möglichkeit bieten, einzelne Moleküle bestimmter Chemikalien zu erzeugen und zu kontrollieren.”
Weitere Experimente werden dazu beitragen, diese Modelle zu verfeinern, um besser zu erklären, wie Gruppen von Atomen zusammenarbeiten, um sich unter verschiedenen Bedingungen zu treffen und zu verbinden.
In einer Welt der sich ständig weiterentwickelnden Technologie ist es nicht schwer vorstellbar, dass Prozesse erforderlich sind, bei denen mikroskopische Schaltkreise und fortschrittliche Medikamente Atom für Atom aufgebaut werden, eine Verbindung nach der anderen.
„Unsere Forschung versucht, den Weg für die Fähigkeit zu ebnen, in sehr kleinem Maßstab, nämlich auf atomarer Ebene, aufzubauen, und ich bin sehr gespannt, wie sich unsere Entdeckungen in Zukunft auf den technologischen Fortschritt auswirken werden“, sagt Andersen.
Diese Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
Quellen: Foto: Universität von Otago
