I en första för kvantfysik, University of Otago forskare har "hållit" enskilda atomer på plats och observerat tidigare osynliga komplexa atomära interaktioner.

En myriad av utrustning inklusive lasrar, speglar, en vakuumkammare, och mikroskop monterade i Otagos fysikavdelning, plus mycket tid, energi, och expertis, har tillhandahållit ingredienserna för att undersöka denna kvantprocess, som hittills bara förstods genom statistiskt medelvärde från experiment som involverade ett stort antal atomer.

Experimentet förbättrar nuvarande kunskap genom att erbjuda en tidigare osynlig inblick i den mikroskopiska världen, överraska forskare med resultaten.

"Vår metod involverar individuell infångning och kylning av tre atomer till en temperatur på ungefär en miljondel av en Kelvin med hjälp av högfokuserade laserstrålar i en hyperevakuerad (vakuum) kammare, ungefär lika stor som en brödrost. Vi kombinerar långsamt fällorna som innehåller atomerna för att producera kontrollerade interaktioner som vi mäter, " säger docent Mikkel F. Andersen vid Otagos institution för fysik.

När de tre atomerna närmar sig varandra, två bildar en molekyl, och alla får en kick av den energi som frigörs i processen. En mikroskopkamera gör att processen kan förstoras och ses.

"Två atomer ensamma kan inte bilda en molekyl, det krävs minst tre för att göra kemi. Vårt arbete är första gången denna grundläggande process har studerats isolerat, och det visar sig att det gav flera överraskande resultat som inte förväntades från tidigare mätningar i stora moln av atomer, " säger postdoktor Marvin Weyland, som ledde experimentet.

Till exempel, forskarna kunde se det exakta resultatet av individuella processer, och observerade en ny process där två av atomerna lämnar experimentet tillsammans. Tills nu, denna detaljnivå har varit omöjlig att observera i experiment med många atomer.

"Genom att arbeta på denna molekylära nivå, vi vet nu mer om hur atomer kolliderar och reagerar med varandra. Med utvecklingen, denna teknik kan ge ett sätt att bygga och kontrollera enskilda molekyler av särskilda kemikalier, ", tillägger Weyland.

Docent Andersen medger att tekniken och detaljnivån kan vara svår att förstå för dem utanför kvantfysikens värld, han tror dock att tillämpningarna av denna vetenskap kommer att vara användbara i utvecklingen av framtida kvantteknologier som kan påverka samhället lika mycket som tidigare kvantteknologier som möjliggjorde moderna datorer och Internet.

"Forskning om att kunna bygga i mindre och mindre skala har drivit mycket av den tekniska utvecklingen under de senaste decennierna. T.ex. det är den enda anledningen till att dagens mobiltelefoner har mer datorkraft än 1980-talets superdatorer. Vår forskning försöker bana väg för att kunna bygga i minsta möjliga skala, nämligen atomskalan, och jag är stolt över att se hur våra upptäckter kommer att påverka tekniska framsteg i framtiden, ", säger docent Andersen.

Experimentfynden visade att det tog mycket längre tid än förväntat att bilda en molekyl jämfört med andra experiment och teoretiska beräkningar, som för närvarande är otillräckliga för att förklara detta fenomen. Medan forskarna föreslår mekanismer som kan förklara diskrepansen, de lyfter fram ett behov av ytterligare teoretisk utveckling inom detta område av experimentell kvantmekanik.