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In einem innovativen Experiment lernten die Physiker, einzelne Atome einzufangen.

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Eine lasergekühlte Atomwolke ist durch eine Mikroskopkammer sichtbar. Mit freundlicher Genehmigung der University of Otago

In der ersten Studie zur Quantenphysik „hielten“ Wissenschaftler der University of Otago einzelne Atome an Ort und Stelle und beobachteten zuvor unsichtbare komplexe atomare Wechselwirkungen.

Viele Instrumente, darunter Laser, Spiegel, eine Vakuumkammer und Mikroskope, die in der Physikabteilung von Otago gesammelt wurden, sowie viel Zeit, Energie und Erfahrung lieferten eine Untersuchung dieses Quantenprozesses, der bisher nur durch statistische Mittelung von Experimenten mit einer großen Anzahl von Atomen berechnet worden war.

Das Experiment verbessert das moderne Wissen, indem es einen bisher unsichtbaren Blick auf die mikroskopische Welt bietet und Forscher mit Ergebnissen überrascht.

„Unsere Methode beinhaltet das individuelle Einfangen und Abkühlen von drei Atomen auf eine Temperatur von etwa einem Millionstel Kelvin unter Verwendung hochfokussierter Laserstrahlen in einer Hypervakuumkammer von der Größe eines Toasters. Wir kombinieren langsam Fallen, die Atome enthalten, um kontrollierte Wechselwirkungen zu erzeugen und diese zu messen “, sagt Associate Professor Mikkel F. Andersen vom Department of Physics in Otago.

Wenn sich drei Atome nähern, bilden zwei ein Molekül und alle werden von der dabei freigesetzten Energie getroffen. Mit der Mikroskopkamera können Sie diesen Vorgang vergrößern und berücksichtigen.

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Mikkel Andersen (links) und Marvin Weiland im Physiklabor. Mit freundlicher Genehmigung der University of Otago

„Zwei Atome allein können kein Molekül bilden, für die Chemie sind mindestens drei erforderlich. Unsere Arbeit ist das erste Mal, dass dieser grundlegende Prozess isoliert untersucht wurde, und es stellte sich heraus, dass er einige erstaunliche Ergebnisse lieferte, die wir nicht erwartet hatten “, sagt Dr. Marvin Weiland, der das Experiment leitete.

Zum Beispiel konnten die Forscher das genaue Ergebnis einzelner Prozesse sehen und einen neuen Prozess beobachten, als zwei Atome gemeinsam ein Experiment verließen. Bisher wurde dieser Detaillierungsgrad in Experimenten mit vielen Atomen nicht beobachtet.

„Wenn wir auf dieser molekularen Ebene arbeiten, lernen wir mehr darüber, wie Atome kollidieren und miteinander reagieren. Mit der Entwicklung könnte diese Technologie eine Möglichkeit bieten, die einzelnen Moleküle bestimmter Chemikalien aufzubauen und zu steuern “, fügt Weiland hinzu.

Associate Professor Andersen räumt ein, dass die Technik und der Detaillierungsgrad für diejenigen außerhalb der Welt der Quantenphysik möglicherweise schwer zu verstehen sind, glaubt jedoch, dass die Anwendung dieser Wissenschaft bei der Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien nützlich sein wird, die die Gesellschaft auf die gleiche Weise beeinflussen könnten wie frühere. Quantentechnologien, die es ermöglichten, moderne Computer und das Internet zu schaffen.

„Die immer kleinere Forschung hat in den letzten Jahrzehnten als Grundlage für die meisten technologischen Entwicklungen gedient. Dies ist beispielsweise der einzige Grund, warum moderne Mobiltelefone mehr Rechenleistung haben als Supercomputer der 1980er Jahre, und ich bin sehr gespannt, wie sich unsere Entdeckungen in Zukunft auf den technologischen Fortschritt auswirken werden “, sagt Associate Professor Andersen.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Bildung des Moleküls im Vergleich zu anderen Experimenten und theoretischen Berechnungen, die derzeit nicht ausreichen, um dieses Phänomen zu erklären, viel länger als erwartet dauerte. Obwohl Forscher Mechanismen vorschlagen, die diese Diskrepanz erklären können, betonen sie die Notwendigkeit einer weiteren theoretischen Entwicklung auf dem Gebiet der experimentellen Quantenmechanik.

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