I forskningens värld, diffusion förstås som en process där små partiklar sprids enhetligt genom en gas eller vätska. Även om dessa medier består av enskilda partiklar, diffusion uppfattas som en kontinuerlig process. Än så länge, effekterna av en individuell kollision mellan partiklar - hörnstenen för diffusion - hade inte observerats. Nu, fysiker i Kaiserslautern och Erlangen har lyckats observera de grundläggande stegen för diffusion av enskilda atomer i en gas och har gett en teoretisk beskrivning av denna mekanism. Studien har publicerats i den berömda tidskriften Fysiska granskningsbrev .
För nästan tvåhundra år sedan, den skotska läkaren och forskaren Robert Brown observerade att pollenpartiklar darrar när de rör sig genom en vätska. Små partiklar, såsom molekyler eller atomer, uppvisar liknande beteende när de sprids i gaser och vätskor. Till följd av ett stort antal slumpmässiga kollisioner, partiklarna visar ett sicksackmönster av rörelser som får olika ämnen att blanda sig. Forskare hänvisar till dessa sicksackrörelser som "Brownsk rörelse" och till spridning och blandning av olika ämnen som diffusion.
"Diffusion är ett nyckelfenomen inom många vetenskapsområden och utgör grunden för många transportprocesser, till exempel i levande celler eller energilagringsenheter, "säger professor Artur Widera, som forskar om kvantfysik för enskilda atomer och ultrakylda kvantgaser vid TU Kaiserslautern. "Därför är det viktigt att ha förståelse för diffusionsprocesser inom nästan alla områden inom biovetenskapen, naturvetenskapen, och teknisk utveckling. "
En enkel, förenklad förståelse av diffusion kan erhållas genom att bortse från de enskilda kollisionerna mellan partiklar. "I detta sammanhang, vi talar också om ett kontinuerligt medium med, till exempel, en större partikel som diffunderar in i den. Denna förenkling blir desto mer exakt när massan av partiklarna i mediet blir mindre och kollisionsfrekvensen blir högre, "säger doktor Michael Hohmann, som är forskare i professor Wideras grupp och första författare till denna studie. Ett vardagligt exempel är dimma, som också kan ses som ett medium av detta slag även om det faktiskt består av små enskilda vattendroppar.
För deras experiment, fysikerna som arbetade under Widera justerade villkoren som kännetecknar ett kontinuerligt medium:"I stället för stora partiklar, som pollen, vi studerade diffusionen av enskilda atomer som har nästan samma massa som gaserna. Vidare, vi använde en mycket kall, späd gas för att drastiskt minska frekvensen av kollisioner, "förklarar Hohmann. Genom att göra det, observerade de Kaiserslautern-baserade forskarna, för första gången, hur cesiumatomer diffunderar vid en temperatur nära absolut noll i en gas som består av rubidiumatomer. "Det här är temperaturer som inget kylskåp kan reproducera, så vi använde laserstrålar för att kyla atomerna och hålla dem på plats i en vakuumapparat. Detta bromsade diffusionen i en sådan omfattning att effekten av enskilda kollisioner kunde observeras, "förklarar professor Widera med avseende på den experimentella uppläggningen.
För den teoretiska beskrivningen av experimentet, forskarna i Kaiserslautern fick hjälp av sin kollega professor Eric Lutz, professor i teoretisk fysik vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), som hjälpte dem att utveckla den matematiska modelleringen. "Med den nya modellen, vi kan nu beskriva atomernas rörelser mer exakt, "säger den Erlangen-baserade forskaren. Tillsammans, de visade att det är tillräckligt att ändra friktionskoefficienten i den teoretiska beräkningen från den kontinuerliga modellen. Genom att göra så, det är också möjligt att beskriva fall som inte involverar ett kontinuerligt medium, som i experimentet ovan. Exempel på sådana fall inkluderar när aerosoler - blandningar av suspenderade partiklar - sprids i tunna skikt av luft i den övre atmosfären, i interstellära rymden eller i vakuumsystem.
