Как студент направи снимка на атом с преносима камера

Един-единствен атом на стронций, който се „носи“ във въздуха.

Credit: David Nadlinger – University of Oxford

Вгледайте се по-внимателно и ще го видите – бледолилав пиксел на черен фон между две цилиндрични игли. Това, което изглежда като блестяща прашинка, е всъщност нещо далеч по-малко – един-единствен атом на веществото стронций, изолиран в апарат за улавяне на йони в Оксфордския университет. Той е наистина миниатюрен. Всеки атом е голям приблизително 0,25 нанометра в диаметър. Няколко милиарда атома спокойно биха се побрали в една кръвна клетка.

Как се прави снимка на нещо толкова безкрайно малко? Фотографът Дейвид Надлингър (David Nadlinger) използва стандартна цифрова камера, но за да подготви снимката, получава съдействие от екипа на лабораторията в Оксфорд Oxford’s Ion Trap Quantum Computing lab. Там той провежда проучвания за придобиване на докторска степен. На 12-ти февруари Надлингър печели първо място на национален конкурс по научна фотография, организиран от Съвета по инженерни и физични изследвания (Engineering and Physical Sciences Research Council) с тази уникална снимка на един-единствен атом.

„Мисля, че това, което прави тази снимка особено интересна за хората е, че може да се види апаратът отстрани“, споделя Надлингър пред Live Science. „Освен това смятам, че хората са изненадани от това колко голям изглежда атомът на изображението… Надявам се, че с тази снимка не дискредитирам 100 години обучение по естествени науки. Атомът в действително е невероятно малък!“

За да бъдем по-точни, разяснява Надлингър, лилавата точица в центъра на тази снимка не е реалният размер на стронциевия атом. Това е светлината от няколко лазера, която бива отразена от атома. Когато се постави под синя светлина с определена дължина на вълната, стронцият излъчва сияние, което е няколко хиляди пъти по-голямо от радиуса на самия атом (който е около ¼ от нанометъра или 2,5х10^-7, обяснява Надлингър). Това сияние би било почти неуловимо с невъоръжено око, но става видимо с малко манипулация на камерата.

„Това, който виждате на снимката, се нарича оптична аберация на светлината“, разказва студентът. „Лещата, през която виждаме атома, не е идеална, а освен това снимката е малко извън фокус и донякъде преекспонирана. Явлението може да се сравни с това да гледаме звездите на нощното небе, които изглеждат ярки, но чийто реален размер е много по-малък. Това се дължи на факта, че очите ни (или камерата) нямат достатъчно резолюция, за да обработят видяното.“ Следователно да се види атом с невъоръжено око е невъзможно. Да се „хване“ такъв в лаборатория, обаче, е малко по-вероятно.

Credit: David Nadlinger – University of Oxford

Да хванеш йон

За да подготвят атома за камера, е било нужно първо учените да го превърнат в йон, атом с неравен брой протони и електрони, придавайки му положителен или отрицателен нетен заряд. „Можем да прихванем единствено заредени частици“, казва Надлингър. „По тази причина използваме поток от неутрални стронциеви атоми и насочваме лазери към тях, за да предизвикаме избирателна фотойонизация. Така можем да създадем самостоятелни йони.“

Поставени в апарат за улавяне на йони, отделните атоми биват задържани на едно място от четири електрода във формата на остриета, като тези, които се виждат под и над стронциевия атом на снимката на Надлингър (останалите два електрода не влизат в кадър). Тези електроди създават поток, който задържа атома на вертикалната ос. Двата игловидни цилиндъра от двете страни задържат атома по хоризонталата.

Когато потоците от енергия от тези електроди си взаимодействат, те създават т.нар. „потенциал на въртящото се седло“ (rotating saddle potential). Името идва от експеримент, в който на въртящо се седло се поставя топка. Заради въртенето топката остава в центъра на седлото, без да пада. На същия принцип действат и въпросните електроди, за да задържат йона на едно място“ – разяснява Надлингър.

Щом атомът е прихванат, съвкупност от лазери го осветява и той разпръсква светлината във всички посоки. На снимката на Надлингър можете да видите следи от синия лазер на фона. Използвайки тази система, учените биха могли да прихванат низ от хиляди йони между малките електроди, което би било една изумителна гледка.

„В нашия сайт има поместена снимка, на която се виждат 9 йона, прихванати в редица“, споделя фотографът. „Всъщност, от гледна точка на науката, този експеримент е доста по-интересен от един отделен светъл пиксел, заобиколен от апарата за улавяне на йони. Но снимката на самостоятелния атом е по-подходяща, за да покажем наглед идеята.“

Според Надлингър той не е първият учен, успял да направи такава снимка, но вероятно е постигнал най-голям успех с привличането на общественото внимание.“

„Група учени, водена от Ханс Демелт (Hans Dehmelt), пионер в областта на технологията за улавяне на йони и Нобелов лауреат (през 1989г.), успява да направи снимка на атом на барий в лабораторията си – разказва студентът, – На снимката се вижда малка светла точица на черен фон (с изключение на малко светлина от лазерите). Съществува една история за това как те изпратили снимката, за да бъде публикувана в сборник със статии от участие в конференция, а редакторът на снимките заличил йона от изображението, понеже решил, че е само прашинка.“

Превод: Михаела Цонева

Източник: Live Science