В школе нас учили: атом настолько мал, что увидеть его невозможно. Даже в самый мощный оптический микроскоп. Но в один тихий воскресный день аспирант Оксфордского университета Дэвид Надлингер решил поспорить с учебниками.
Он не стал включать многомиллионные суперкомпьютеры. Он просто взял штатив, обычную цифровую камеру, которую можно купить в магазине, и пошел в лабораторию.
Результатом этой вылазки стала фотография, которая облетела весь мир и выиграла главный приз научного конкурса EPSRC. На ней — невозможное. Одинокий атом, парящий в черной пустоте.
Идея на салфетке
Всё началось с простого любопытства. Дэвид работал с ионными ловушками — сложными устройствами, которые удерживают частицы с помощью электрических полей.
«Меня поразила сама идея, что атом можно увидеть невооружённым глазом, — позже рассказывал Дэвид. — Это казалось чудесным мостиком между нашим огромным миром и микроскопическим квантовым миром».
Обычно физики «смотрят» на атомы через графики и цифры. Но Дэвид прикинул: если атом заставить светиться достаточно ярко, хватит ли этого для матрицы фотоаппарата?
«Быстрый расчёт на салфетке показал, что цифры на моей стороне», — вспоминает он.
Как поймать призрака?
В то воскресенье Дэвид установил оборудование перед окном камеры сверхвысокого вакуума. Внутри находилась ионная ловушка.
Представьте себе два металлических электрода (иглы), расстояние между которыми всего 2 миллиметра. Они создают мощное электрическое поле, которое «хватает» атом и не дает ему сбежать. Атом оказывается в невидимой клетке.
Но сам по себе атом стронция не светится. Чтобы мы его увидели, Дэвид направил на него сине-фиолетовый лазер.
Тут сработала квантовая магия. Атом начал жадно поглощать фотоны лазера и тут же «выплевывать» их обратно. Он превратился в крошечный маяк, испускающий свет во все стороны.
«Бледно-голубая точка»
Дэвид настроил камеру на длинную выдержку. Это позволило собрать достаточно света от этой крошечной искорки.
Когда он посмотрел на получившийся кадр, он увидел это:
Эта точка — один-единственный положительно заряженный ион стронция. Он «завис» в вакууме, удерживаемый полями, и сияет отраженным лазерным светом.
Это не компьютерная графика и не художественная инсталляция. Это реальный кирпичик мироздания, замерший для портрета.
Зачем это нужно (кроме красоты)?
Конечно, ученые держат атомы в ловушках не ради красивых фото в соцсетях.
Охлаждённые лазером атомы — это идеальная платформа для создания квантовых компьютеров. Тех самых машин будущего, которые смогут решать задачи, недоступные современным суперкомпьютерам. Кроме того, такие стабильные атомы используются в самых точных часах в мире.
Но для нас, обычных людей, работа Дэвида Надлингера ценна другим. Она напоминает, что наука — это не только сухие формулы. Это умение увидеть красоту в вещах, которые, казалось бы, скрыты от нас самой природой.
А вы смогли разглядеть точку на фото без увеличения? Пишите в комментариях!
(Не забудьте поставить лайк, если вас тоже завораживает квантовый мир!)
Спасибо за внимание!