12 февраля 2025 года физики, из Германии, Италии и США опубликовали статью в Science Advances о "фотографии" коллективного поведения электронов "в естественной среде обитания" - квантовом мире. В 2023 году Нобелевская премия по физике была присуждена за принципиальную технологию сверхбыстрой фотографии, а сейчас мы получаем первые результаты ее работы. Стенфорский университет, причастный к работе, написал приличную журналистскую статью по этому эксперименту.
Бакиболы
Объектами для "фотографии" при помощи ультракоротких ультрафиолетовых импульсов стали бакиболы из углерода. Бакибол - форма, названная в честь архитектора и фтутуриста Ричарда Бакминстер Фуллера, который строил сооружения в виде круглых многогранников. В одном из которых жил сам.
Бакиболом называют любой многогранный шар, например, им можно назвать футбольный мяч. А молекулу углерода в виде бакибола называют фуллерен в честь того же человека. А молекулу фуллерена ровно из 60 атомов углерода назвали бакминстерфуллереном. Именно она использовалась как объект для "съемки" в научной работе.
Физики не скупились на названия в честь человека, не имеющего прямого отношения к молекулам углерода. Нобелевскую премию по химии 1996 года за синтез фуллерена получили Роберт Кёрл, Харольд Крото и Ричард Смолли. Кротоболы, Смоллирен или Кёрланы тоже звучало бы бодро.
Еще с предсказания существования фуллерена в 1971 году, физики возлагали на него большие надежды, потому что такая молекула находится на предположительной масштабной границе между квантовым и нашем мирами. Бакминстерфуллерены, используемые для "фотографии" имеют субнанометровый размер, то есть 0,7 нанометра. Это крупнейшие конструкции, которые должны, например, интерферировать сами с собой, огибая препятствия. За этим было бы интересно понаблюдать, но физики выбили другой феномен.
Великий плазмонный резонанс
Явление, на которое решили пролить ультракороткий ультрафиолетовый свет физики - переводится на русский язык не очень красиво, на мой взгляд. Коротко, это коллективное поведение электронного газа под воздействием внешней электромагнитной силы. Журналисты называют это "танцем" и в этой метафоре есть смысл. В танце люди под воздействием музыки все двигаются в одном ритме. Электроны фуллерена вели себя примерно так же, пока их "снимали" импульсами длительностью 300 аттосекунд. Для сравнения, за это время свет проходит расстояние от поверхности компакт-диска до дна углубления, при помощи которого записывается информация.
Вообще, все случаи коллективного поведения частиц интересны для ученых, потому что они "выносят сор из избы": при некоторых условиях можно наблюдать квантовые эффекты в масштабе нашего мира, ведь большое количество маленьких частиц ведут себя как одна большая. Получается, физики взяли два феномена на границе квантового и нашего мира "по цене одного".
Электронный газ, который как-то коллективно себя ведет называют плазмоном. А его ритмичные колебания, совпадающие по частоте с внешней электромагнитной силой - резонансом.
Самый короткий импульс, полученный в лаборатории на данный момент длился 43 аттосекунды. То есть технология, получившая нобелевскую премию 2023 года, имеет большой запас по глубине исследования. Эта глубина отчитывается по временной шкале - чем более быстрые события мы сможем засечь, тем сильнее раскроем суть квантовых процессов. Поэтому, технология называется хроноскопией - изучением времени "вглубь". Ну, а работает она на излучении световых импульсов, за что еще ее называют фотоникой.
Птичий язык физики
Договориться о терминах - первое правило любой научной работы. Однако, злоупотребляя словами для специалистов можно перейти на "птичий" язык, который все равно придется расшифровывать. Так и поступили авторы научной статьи в первом ее разделе - описали свой эксперимент достаточно понятно, а "на засыпку" выдали это:
Здесь мы раскрываем динамику великого плазмонного резонанса субнанометровой системы бакминстерфуллерена с помощью аттосекундной фотоэмиссионной хроноскопии
Надеюсь, вы почувствовали себя Гензелем или Гретель, которые по следу из отмеченных жирным терминов хлебных крошек смогли попасть в дурку вернуться домой из пряничного домика колдуньи.
Когда будут "фотки"?
Думаю, нашим читателям понятно, что никаких красивых картинок коллективных колебаний 240 свободных электронов молекулы углерода ждать не приходится. Результаты работы - просто цифры. О чем они говорят?
Вообще, этот эксперимент мог бы, ни много ни мало, опровергнуть квантовую механику. Физики могли бы увидеть, что там все не так как казалось. Но они этого не сделали. В результате:
Электронный характер великого плазмонного резонанса остается открытым вопрсом
Понятно, что ничего непонятно. Чему я несказанно рад. Только подготовил установку для объяснения базовых принципов квантовой механики... Хорошо, что ее пока не отменили.
Что еще почитать?
- Нобелевская премия по физике 2023
Автор статьи - Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Группа ВК, Телеграмм канал, Ютуб канал