Igazi bravúrt hajtottak végre a Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) kutatói: vizuális bizonyítékokkal (azaz fotókkal) támasztottak alá eddig csak elméletileg megjósolt kvantumviselkedéseket. Fotók persze már eddig is készültek atomokról, a szakemberek különböző módszereket alkalmaztak, elsősorban az úgynevezett abszorpciós képalkotást, ahol a lézerfény az atomfelhőre vetül, és árnyékát a kamera képernyőjére veti.

„Ezek a technikák lehetővé teszik, hogy lássuk az atomfelhő teljes alakját és szerkezetét, de magukat az egyes atomokat nem. Mindez olyan, mintha látnánk egy felhőt az égen, azonban az azt alkotó egyes vízmolekulákat nem” – mondta Martin Zwierlein, a MIT fizikaprofesszora.

A kihívást ezen a területen elsősorban a méretek jelentik: egy atom átmérője körülbelül a nanométer tizedrésze – ez az emberi haj vastagságának körülbelül egymilliomoda. A hajjal ellentétben azonban az atomok a kvantummechanika furcsa szabályai szerint működnek, ahol a pontos helyzet és a sebesség nem ismerhető egyszerre.

A MIT fizikusai kifejlesztettek egy teljesen új módszert, amelynek az atomfelbontású mikroszkópia nevet adták. Először egy lézersugár által létrehozott laza csapdába zárnak egy atomfelhőt. Ez a csapda egy helyen tartja az atomokat, ahol szabadon kölcsönhatásba léphetnek. A kutatók ezután egy fényrácsot villantanak fel, amely mintegy befagyasztja, azaz a helyükön rögzíti az atomokat. Ezután egy második lézer megvilágítja a szuszpendált atomokat, amelyek fluoreszcenciája felfedi azok egyedi helyzetét.

A fizikusok különböző típusú atomok felhőinek vizualizálására használták különleges technikájukat, és számos érdekességet láthattak. Közvetlenül megfigyelték például a bozonokként ismert elemi részecskéket, amelyek egy kvantumjelenségben hullámot alkotva csoportosultak. Emellett lefotózhatták a félspinű, szubatomi fermionokat is, amint azok párba rendeződnek a szabad térben – ez egy kulcsfontosságú mechanizmus, amely lehetővé teszi a szupravezetést.

Az atomfelbontású mikroszkópia segítségével a kutatók megfigyelhették a bozonokat (balra) és a fermionokat (jobb oldalon)

MIT

„Láthattuk az egyes atomokat ezekben az érdekes atomfelhőkben, és azt, hogy mit csinálnak egymással kapcsolatban, ami gyönyörű” – lelkendezett Zwierlein.

A fizikusok számára ezek a képek egyébként többet jelentenek, mint pusztán technikai eredményeket, hiszen vizuális megerősítést nyújtanak kvantumfizikai viselkedésekről, olyanokról, amelyek évtizedekig rejtve maradtak a közvetlen megfigyelés elől.

A kutatók azt is tervezik, hogy új képalkotó vizsgálatukat még egzotikusabb kvantumviselkedések vizsgálatára használják, különösen a kvantum Hall-fizika területén, ahol az elektronok újszerű, korrelált viselkedést mutatnak mágneses mezők jelenlétében.