محققان برای اولین بار در حال تولید یک پرتو گردابی از اتم ها و مولکول ها هستند
گرداب ها می توانند تصویری ذهنی از گرداب ها و گردبادها ایجاد کنند - اجسام آب و هوا در حال چرخش - اما می توانند در مقیاس بسیار کوچکتر نیز وجود داشته باشند. در مطالعه جدیدی که در علوم پایهمحققان موسسه تحقیقاتی ویزمن به همراه همکاران موسسه فناوری Technion-Israel و دانشگاه تل آویو برای اولین بار گرداب هایی را ایجاد کردند که از یک اتم منفرد ساخته شده بودند. این گرداب ها می توانند به پاسخگویی به سؤالات اساسی در مورد عملکرد درونی دنیای زیراتمی کمک کنند و برای بهبود فناوری های مختلف مورد استفاده قرار گیرند - به عنوان مثال، با ارائه فرصت های جدید برای میکروسکوپ های اتمی.
دانشمندان مدت‌هاست که به دنبال تولید انواع مختلف گرداب‌های نانومقیاس در آزمایشگاه بوده‌اند و اخیراً بر ایجاد پرتوهای گردابی - جریان‌هایی از ذرات با ویژگی‌های چرخشی - تمرکز کرده‌اند که حتی ساختار کوانتومی داخلی آنها را می‌توان به چرخش درآورد. گرداب هایی متشکل از ذرات بنیادی، الکترون ها و فوتون ها در گذشته به صورت تجربی ایجاد شده اند، اما تاکنون پرتوهای گردابی از اتم ها تنها به عنوان یک آزمایش فکری وجود داشته است. دکتر Yair Segev که اخیراً دکترای خود را به پایان رسانده است، گفت: "در طول یک بحث نظری با پروفسور Ido Kaminer از Technion، ما به ایده آزمایشی برای تولید گرداب های تک اتم ها رسیدیم." مطالعات در گروه پروفسور ادوارداس ناریویسیوس از گروه فیزیک شیمی و بیولوژیکی وایزمن.
در فیزیک کلاسیک، اجسام در حال چرخش اغلب با خاصیتی به نام تکانه زاویه ای مشخص می شوند. مانند یک تکانه خطی، نیروی مورد نیاز برای متوقف کردن یک جسم متحرک، یا بهتر است بگوییم، برای جلوگیری از چرخش آن را توصیف می کند. گرداب ها - که با گردش جریان حول یک محور مشخص می شوند - این ویژگی را در چرخش بی امان خود کاملاً تجسم می بخشند.
با این حال، ویژگی اصلی تکانه زاویه ای، که مشخصه گرداب های طبیعی، چه بزرگ و چه کوچک است، پیچش متفاوتی در مقیاس کوانتومی پیدا می کند. برخلاف معادل های خود در فیزیک کلاسیک، ذرات کوانتومی نمی توانند هیچ مقداری از تکانه زاویه ای را بپذیرند. بلکه آنها فقط می توانند مقادیر تک تک قطعات یا "کوانت ها" را بپذیرند. تفاوت دیگر روشی است که یک ذره گردابی تکانه زاویه ای خود را حمل می کند - نه به عنوان یک ملخ جامد و چرخان، بلکه به عنوان موجی که در اطراف محور حرکت خود جریان دارد و می پیچد.
این امواج را می توان شبیه به نحوه استفاده از موج شکن ها برای هدایت جریان آب دریا در نزدیکی ساحل، اما در مقیاس بسیار کوچک تر، شکل داده و دستکاری کرد. دکتر آلون لوسکی می گوید: با قرار دادن موانع فیزیکی در مسیر اتم، می توانیم شکل موج آن را به اشکال مختلف دستکاری کنیم. یک دانش آموز در گروه نارویچیوس. لوسکی و سگف که این مطالعه را با ری دیوید از گروه خود هدایت می کنند، با همکاران خود در دانشگاه تل آویو همکاری می کنند تا رویکردی نوآورانه برای هدایت حرکت اتم ها ایجاد کنند. آنها مدل‌هایی از «آب‌شکن‌های» نانومتری به نام شبکه‌ها - دیسک‌های سرامیکی کوچک با قطر چند صد نانومتر، با الگوهای مشخصی از شکاف‌ها ایجاد کردند. هنگامی که شکاف ها به شکل چنگال چیده می شوند، هر اتمی که از آنها می گذرد مانند موجی رفتار می کند که از یک مانع فیزیکی عبور می کند، بنابراین یک تکانه زاویه ای به دست می آورد و به عنوان یک گرداب در حال چرخش ظاهر می شود. این "نانو چنگال" از طریق یک فرآیند تولید نانویی که به طور خاص برای این آزمایش توسط دکتر اورا بیتتون و هیلا نادلر، هر دو از دپارتمان پشتیبانی تحقیقات شیمیایی Weizmann توسعه داده شد، تولید شدند.
برای تولید و مشاهده گرداب های اتمی، محققان یک پرتو مافوق صوت از اتم های هلیوم را به سمت این شبکه های دوشاخه هدایت می کنند. قبل از رسیدن به توری، پرتو از سیستم شکاف‌های باریکی عبور می‌کند که برخی از اتم‌ها را مسدود می‌کند و تنها اتم‌هایی را که بیشتر شبیه امواج بزرگ هستند - آنهایی که برای شکل‌دهی مناسب‌تر از توری‌ها هستند، منتقل می‌کند. هنگامی که این اتم های "موج" با "چنگال ها" برهم کنش می کنند، در گرداب هایی تشکیل می شوند و شدت آنها توسط یک آشکارساز ثبت و ثبت می شود.
این منجر به یک تصویر دونات شکل می شود که از میلیون ها اتم هلیوم در حال چرخش تشکیل شده است که با آشکارساز برخورد می کنند. Segev گفت: "وقتی تصویر دونات شکل را دیدیم، متوجه شدیم که توانسته ایم از این اتم های هلیوم گرداب هایی ایجاد کنیم." مانند "چشم" یک طوفان، مرکز این "دونات ها" فضایی است که هر گرداب اتمی در آن آرام ترین است - شدت امواج در آنجا صفر است، بنابراین هیچ اتمی در آنجا یافت نمی شود. ناریویسیوس توضیح می‌دهد: «دونات‌ها اثر انگشت مجموعه‌ای از پرتوهای گردابی مختلف هستند.
در طول آزمایش ها، محققان مشاهده عجیبی انجام دادند. Segev می‌گوید: «ما دیدیم که در کنار دونات‌های بی‌نقص دو نقطه کوچک «نویز» وجود دارد. «در ابتدا فکر می‌کردیم که این یک خرابی سخت‌افزاری است، اما پس از بررسی کامل متوجه شدیم که آنچه ما به آن نگاه می‌کنیم، در واقع مولکول‌های غیرعادی هستند، هر یک از دو اتم هلیوم در پرتوهای ما به هم متصل شده‌اند.» به عبارت دیگر، آنها گرداب‌هایی تولید کرده بودند. نه تنها از اتم ها بلکه از مولکول ها نیز.
اگرچه محققان در آزمایش‌های خود از هلیوم استفاده کرده‌اند، ساختار آزمایشی می‌تواند مطالعات سایر عناصر و مولکول‌ها را در خود جای دهد. همچنین می‌توان از آن برای مطالعه ویژگی‌های نهفته زیر اتمی، مانند توزیع بار پروتون‌ها یا نوترون‌ها استفاده کرد، که تنها زمانی که اتم در حال چرخش است، قابل تشخیص است. لوسکی مثالی از ساعت مکانیکی می‌آورد: «ساعت‌های مکانیکی از چرخ دنده‌ها و چرخ‌دنده‌های کوچکی ساخته می‌شوند که هر کدام با فرکانس مشخصی مشابه ساختار داخلی یک اتم حرکت می‌کنند. حالا تصور کنید این ساعت را بگیرید و بچرخانید - این حرکت می تواند فرکانس داخلی چرخ دنده ها را تغییر دهد و ساختار داخلی را نیز می توان در ویژگی های گرداب بیان کرد.
پرتوهای گرداب اتمی علاوه بر ارائه روشی جدید برای مطالعه اساسی ترین خواص ماده، می توانند در چندین کاربرد فناوری مانند میکروسکوپ اتمی کاربرد پیدا کنند. برهمکنش بین اتم‌های در حال چرخش و هر ماده مورد مطالعه می‌تواند منجر به کشف ویژگی‌های جدید این ماده شود و داده‌های قابل‌توجهی را که قبلاً در دسترس نبود به بسیاری از آزمایش‌های آینده اضافه کند.
نقل قول: محققان برای اولین بار یک پرتو گردابی از اتم‌ها و مولکول‌ها (2021، 30 نوامبر)، استخراج شده در 30 نوامبر 2021 از https://phys.org/news/2021-11-vortex-atoms-molecules.html تولید کردند.
این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هرگونه معامله منصفانه به منظور مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا فقط برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.
[ad_2]