חוקרים המציאו שיטה למדידה מדויקת של מיקומו התלת מימדי של אטום באמצעות תמונה אחת, תוך מהפכה בניסויים במכניקת הקוונטים ובפיתוח החומר על ידי הקלה על מניפולציה ומעקב מדויקים של אטומים.
השיטה שפותחה באוניברסיטאות בון ובריסטול משתמשת בעיקרון פיזיקלי גאוני.
במשך יותר מעשר שנים, הפיזיקאים הצליחו לאתר את מיקומם המדויק של אטומים בודדים בדיוק של יותר מאלפית המילימטר באמצעות מיקרוסקופ מיוחד. עם זאת, שיטה זו סיפקה עד כה רק את קואורדינטות x ו-y. מידע על המיקום האנכי של אָטוֹם – כלומר, המרחק בין האטום למטרת המיקרוסקופ – חסר.
כעת פותחה שיטה חדשה שיכולה לקבוע את כל שלוש הקואורדינטות המרחביות של אטום עם תמונה אחת. שיטה זו – שפותחה על ידי אוניברסיטת בון ואוניברסיטת בריסטול – מבוססת על עיקרון פיזיקלי גאוני. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת המומחה סקירה פיזית א.
האתגר של מדידת המימד השלישי
כל מי שהשתמש במיקרוסקופ בשיעור ביולוגיה כדי לחקור תא צמחי יוכל כנראה להיזכר במצב דומה. קל לדעת שכלורופלסט מסוים ממוקם מעל ומימין לגרעין. אבל האם שניהם ממוקמים על אותו מישור? עם זאת, ברגע שאתה מכוון את המיקוד במיקרוסקופ, אתה רואה שתמונת הגרעין נעשית חדה יותר בזמן שתמונת הכלורופלסט מיטשטשת. אחד מהם חייב להיות קצת יותר גבוה ואחד קצת יותר נמוך מהשני. עם זאת, שיטה זו אינה יכולה לתת לנו פרטים מדויקים על מיקומם האנכי.
כך זה נראה בפועל: כיווני הסיבוב השונים של ה"משקולת" השונות מעידים על כך שהאטומים נמצאים במישורים שונים. קרדיט: IAP/אוניברסיטת בון
העיקרון דומה מאוד אם אתה רוצה לצפות באטומים בודדים במקום בתאים. ניתן להשתמש במה שנקרא מיקרוסקופיה גז קוונטית למטרה זו. זה מאפשר לך לקבוע בפשטות את קואורדינטות ה-x וה-y של אטום. עם זאת, הרבה יותר קשה למדוד את קואורדינטת ה-z שלו, כלומר, את המרחק לעדשת המטרה: על מנת לגלות באיזה מישור נמצא האטום, יש לצלם מספר תמונות שבהן המוקד מועבר על פני מישורים שונים. . זהו תהליך מורכב וגוזל זמן.
הפיכת כתמים עגולים למשקולות
"פיתחנו כעת שיטה שבה ניתן להשלים את התהליך הזה בשלב אחד", מסביר טנג'י לגרנד מהמכון לפיזיקה יישומית (IAP) באוניברסיטת בון. "כדי להשיג זאת, אנו משתמשים באפקט שכבר היה ידוע בתיאוריה מאז שנות ה-90, אך טרם נעשה בו שימוש במיקרוסקופ גז קוונטי".
כדי להתנסות באטומים, תחילה יש צורך לקרר אותם בצורה משמעותית כך שהם בקושי יזוזו. לאחר מכן, אפשר, למשל, ללכוד אותם בגל עומד של אור לייזר. לאחר מכן הם מחליקים לתוך שוקת הגל בדומה לאופן שבו ביצים יושבות בקופסת ביצים. לאחר שנלכדו, כדי לחשוף את מיקומם, הם נחשפים לקרן לייזר נוספת, שמגרה אותם לפלוט אור. הקרינה שנוצרה מופיעה במיקרוסקופ הגז הקוונטי ככתם מעט מטושטש ועגול.
התמונה של אטום המיוצר על ידי מיקרוסקופ גז קוונטי היא בדרך כלל כתם עגול, מעט מטושטש. החוקרים עיוותו אותו לצורת משקולת (התמונה מציגה את התחזית התיאורטית). הכיוון שאליו מצביע המשקולת מציג את קואורדינטת ה-z. קרדיט: IAP/אוניברסיטת בון
"פיתחנו כעת שיטה מיוחדת לעוות את חזית הגל של האור הנפלט מהאטום", מסבירה ד"ר אנדריאה אלברטי. החוקר, שעבר כעת מה-IAP למכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית ב-Garching, השתתף גם הוא במחקר. "במקום הכתמים העגולים האופייניים, חזית הגל המעוותת מייצרת צורת משקולת על המצלמה שמסתובבת סביב עצמה. הכיוון אליו מצביע המשקולת תלוי במרחק שהאור היה צריך לעבור מהאטום למצלמה".
"אם כן, המשקולת פועלת קצת כמו המחט על מצפן, ומאפשרת לנו לקרוא את קואורדינטת ה-z בהתאם לכיוון שלה", אומר פרופ' ד"ר דיטר משדה. חוקר ה-IAP, שקבוצת המחקר שלו ביצעה את המחקר, הוא גם חבר בתחום המחקר הטרנס-דיסציפלינרי "Matter" באוניברסיטת בון.
חשוב לניסויים במכניקת הקוונטים
השיטה החדשה מאפשרת לקבוע במדויק את מיקומו של אטום בתלת מימד באמצעות תמונה אחת בודדת. זה חשוב, למשל, אם אתה רוצה לבצע ניסויים במכניקת קוונטים עם אטומים, מכיוון שלעתים קרובות זה חיוני להיות מסוגל לשלוט במדויק או לעקוב אחר מיקומם. זה מאפשר לחוקרים לגרום לאטומים לקיים אינטראקציה זה עם זה בצורה הרצויה.
יתר על כן, השיטה יכולה לשמש גם כדי לסייע בפיתוח חומרים קוונטיים חדשים עם מאפיינים מיוחדים. "לדוגמה, נוכל לחקור אילו השפעות מכניות קוונטיות מתרחשות כאשר אטומים מסודרים בסדר מסוים", מסבירה ד"ר קארי ויידנר מה- אוניברסיטת בריסטול. "זה יאפשר לנו לדמות את התכונות של חומרים תלת מימדיים במידה מסוימת מבלי שנצטרך לסנתז אותם."
אוניברסיטת בון ואוניברסיטת בריסטול השתתפו שתיהן במחקר. המחקר מומן על ידי קרן המחקר הגרמנית (DFG).
