Более столетия ученые пытаются зафиксировать дифракцию атомов – ключевого явления, необходимого для понимания природы материи на атомном уровне. Эти поиски серьезно усложнили представления физиков, однако именно благодаря уникальным характеристикам графена, новаторского материала, этот научный барьер был недавно преодолен.
Дифракция: основополагающий принцип, необходимый для понимания природы материи
Дифракция представляет собой физическое явление, при котором волны, такие как свет, электроны или атомы, огибают препятствия или проходят через регулярные структуры. Благодаря наблюдению дифракции ученые смогли установить, что свет и частицы обладают волновыми свойствами, что стало основой для концепции дуализма волна-частица.
Ученые уже на протяжении многих десятилетий с успехом наблюдают дифракцию электронов, однако дифракция атомов долгое время оставалась неразгаданной. Атомы, значительно массивнее и сложнее электронов, препятствовали проявлению этого явления, что серьезно затрудняло изучение материи в ее фундаментальных масштабах. Наблюдение дифракции атома на кристалле казалось крайне маловероятным.
Графен: технологическое откровение
Благодаря графену — модификации углерода, образованной одним слоем атомов в гексагональной структуре — удалось совершить прорыв. Этот ультратонкий материал, толщиной в один атом, характеризуется исключительными качествами: высокой стабильностью, электропроводностью и необычайной прочностью. Благодаря этим свойствам ученые всего мира привлекли внимание к графену и оперативно нашли для него применение в различных сферах, начиная от электроники и заканчивая нанотехнологиями.
Уникальная атомная структура стала ключевым фактором, благодаря которому ученым удалось решить основную проблему в атомной дифракции. Традиционные кристаллы, используемые для дифракции, часто повреждались высокоэнергетическими атомами, однако графен, отличаясь своей тонкостью и прочностью, способен выдерживать столкновения с атомами без разрушения. Исследователи во главе с Кариной Каниц из Венского университета провели успешное наблюдение дифракции атомов водорода и гелия через лист графена.
Эксперимент, результаты которого были обнародованы в июле 2023 года, предоставил подтверждение базовой гипотезы: атомы способны проявлять волновые свойства через кристаллы, если условия проведения эксперимента оптимальны, в том числе и время их взаимодействия с кристаллической структурой.
Наблюдения дифракционных картин с восемью векторами решетки подтвердили когерентность и высокую точность дифракционного процесса. Ключевым фактором успеха является небольшая продолжительность взаимодействия между атомами и графеном. Это минимизирует передачу энергии, способную повредить структуру кристалла, и позволяет атомам дифрагировать без нанесения материального ущерба.
К новым рубежам в физике и нанотехнологиях
Достижение в области дифракции атомов открывает новые возможности для развития нанотехнологий и физики материалов. Благодаря более глубокому пониманию волновых свойств атомов, ученые смогут не только усовершенствовать теоретические модели материи, но и создавать современные технологии для управления веществом на атомном уровне. Это может существенно повлиять на такие направления, как разработка материалов с заданными свойствами, атомная визуализация и квантовое хранение данных.
Влияние на квантовые вычисления и квантовую физику также весьма значительно. Наблюдение за атомами, взаимодействующими с материалами вроде графена, позволяет управлять ими и манипулировать ими с исключительной точностью, что потенциально повысит производительность и доступность квантовых компьютеров. Это также может способствовать углублению понимания квантовых явлений, таких как чередование и суперпозиция, являющихся основой технологий будущего.
Препринт с описанием эксперимента можно найти через и еще не прошел рецензирование.