Физики достигли невиданной точности контроля над материей

Благодаря счастливой случайности группа английских физиков открыла способ манипуляции отдельно взятой молекулой с точностью до одной миллиардной доли секунды. Мы возможно получим способ управлять материей на невиданном уровне точности.

Как это часто бывает в науке, фантастический и совершенно непредсказуемый результат был достигнут… совершенно случайно, пишет “Новое Время“.

Ученые из университета Бат в Англии использовали сканирующий туннельный микроскоп для наблюдения за атомами и получили результат, который на первый взгляд не имел смысла. Выяснилось, что повышение силы электрического тока не приводило к ускорению наблюдаемой реакции.

Попытавшись разобраться в происходящем, исследователи выяснили, что наткнулись на неожиданный способ манипуляции молекулами. Если придвинуть датчик микроскопа ближе к исследуемой молекуле, появляется возможность манипуляции ее состоянием. Это открывает новые невероятные возможности для экспериментов в наномасштабе, утверждают исследователи.

Результаты их работы были опубликованы в авторитетном издании Science.

Что открыли?

Сканирующие туннельные микроскопы используются для создания четких, на уровне атомов, 2D- и 3D-изображений поверхности, сканируемой с помощью очень маленького электрического зонда.

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа основан на эффекте квантового туннелирования. Который может показаться неподготовленному человеку абсолютным бредом. Дело в том, что в мире квантовой механики электрону соответствует волновая функция, которая описывает распределение вероятностей того, что электрон находится в определенном месте и несет определенную энергию.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга невозможно определить положение частицы с абсолютной точностью. Но если электрон находится рядом с “барьером”, в роли которого выступает промежуток между кончиком зонда туннельного микроскопа и поверхностью, на которой находится частица, возникает вероятность того, что электрон может оказаться по другую сторону этого барьера.

Как часто шутят на эту тему физики – в отличии от обычного мира, в квантовом мире, если бросить мячик в стену, он не отскочит, а пройдет сквозь нее. Сканирующий туннельный микроскоп видит объекты и даже может перемещать их с помощью именно таких туннелей.

В ходе эксперимента, который привел к этому поразительному открытию, ученые наблюдали за тем, что происходит с молекулой, когда в нее ударяются отдельные электроны. Ученые управляли движением электронов, меняя силу электрического тока.

Забавно, что необычные результаты эксперимента были поначалу в буквальном смысле выброшены в мусорную корзину. Но в команде исследователей оказалась молодой физик Кристина Русимова, которая осталась поработать на выходных. И случайно обнаружила необычные результаты эксперимента.

“Это была последняя проверка, на всякий случай, – рассказывает Русимова. – И неожиданно оказалось, что кривая на одном из графиков устремляется вниз, в то время как должна была идти вверх”.

Русимова обратила внимание своих коллег на эту аномалию. Ученые повторили эксперимент с теми же условиями, приблизив кончик зонда туннельного микроскопа на расстояние всего 1/600 трлн метра от молекулы толуола. Электрон, направленный на молекулу после этого, “отскочил” от нее со скоростью в 100 раз быстрее, чем в прежних экспериментах. Фактически, кончик зонда микроскопа взаимодействуя с молекулой, “приподнял” ее над кремниевой пластиной.

“Наше исследование указывает на новый способ контролировать отдельно взятую молекулу, – поясняет физик Питер Слоан, один из участников работы. – Говоря простым языком, у нас появляется новый инструмент для экспериментов на наноуровне”.

По его словам, работа с объектами таких масштабов неимоверно сложна, однако полученная технология уже доказала свою эффективность.

Почему это важно?

Итак, в ходе эксперимента сканирующий туннельный микроскоп не просто измерил взаимодействие электрона и молекулы, но и повлиял на него.

На квантовом уровне случилось следующее – при очень большом сближении возникло новое квантовое состояние кончика зонда и молекулы, предполагают исследователи. Это в свою очередь привело к возникновению нового “туннеля”, по которому отправился электрон после столкновения с молекулой. Время столкновения таким образом сократилось.

Обладая таким инструментом, ученые могут не только наблюдать за столкновением электронов и молекул, но и принимать в нем непосредственное участие.

По мнению Слоана, открытие дает огромные надежды на скорый прорыв в области квантовой физики. Мы пока еще многого не знаем о физике квантового мира, поясняет он, и такие инструменты крайне важны.

“Теперь главной целью наших исследований будет создание инструментов контроля материи в самых малых масштабах”, – говорит Слоан.

Уже сегодня нанотехнологии применяются в самых разных целях, например, для защиты металлов от коррозии, создания влагостойкой ткани и химических катализаторов, а также разработки легких и прочных материалов.

Но это только цветочки, предполагают ученые. Мы до сих пор не имеем возможности оперировать индивидуальными молекулами. А здесь открываются перспективы, по сравнению с которыми влагостойкие куртки просто меркнут.

Потенциал у таких исследований просто колоссальный. Это может быть, к примеру, разрыв химических связей между молекулами, которые природа “запрещает” нам разрывать иными способами. Или же создание молекулярной архитектуры, которую запрещают законы термодинамики макромира, заключает Слоан.