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.

НАПІСАЦЬ АДКАЗ

Калі ласка, дабаўце ваш каментар!
Калі ласка, увядзіце ваша імя

18 − 18 =