I mer än ett decennium har det varit möjligt för fysiker att noggrant mäta platsen för enskilda atomer med en precision som är mindre än en tusendels millimeter med hjälp av en speciell typ av mikroskop. Denna metod har dock hittills bara tillhandahållit x- och y-koordinaterna. Information om atomens vertikala position saknas.
En ny metod har nu utvecklats som kan bestämma alla tre rumsliga koordinater för en atom med en enda bild. Denna metod – utvecklad av University of Bonn och University of Bristol – är baserad på en genialisk fysisk princip. Studien är publicerad i tidskriften Physical Review A .
Den som har använt ett mikroskop i en biologiklass för att studera en växtcell kommer förmodligen att kunna minnas en liknande situation. Det är lätt att se att en viss kloroplast finns ovanför och till höger om kärnan.
Men är båda placerade på samma plan? När du väl justerat fokus på mikroskopet ser du dock att bilden av kärnan blir skarpare medan bilden av kloroplasten suddar ut. En av dem måste vara lite högre och en lite lägre än den andra. Den här metoden kan dock inte ge oss exakta detaljer om deras vertikala positioner.
Principen är väldigt lik om man vill observera enskilda atomer istället för celler. Så kallad kvantgasmikroskopi kan användas för detta ändamål. Det låter dig bestämma x- och y-koordinaterna för en atom på ett enkelt sätt. Det är dock mycket svårare att mäta dess z-koordinat, d.v.s. avståndet till objektivlinsen:För att ta reda på vilket plan atomen befinner sig måste flera bilder tas där fokus flyttas över olika plan .
Detta är en komplex och tidskrävande process.
"Vi har nu utvecklat en metod där denna process kan slutföras i ett steg", förklarar Tangi Legrand från Institute of Applied Physics (IAP) vid universitetet i Bonn. "För att uppnå detta använder vi en effekt som redan har varit känd i teorin sedan 1990-talet men som ännu inte hade använts i ett kvantgasmikroskop."
För att experimentera med atomerna är det först nödvändigt att kyla ner dem betydligt så att de knappt rör sig. Efteråt är det till exempel möjligt att fånga dem i en stående våg av laserljus. De glider sedan in i vågens dalar, liknande hur ägg sitter i en ägglåda.
När de väl är fångade, för att avslöja sin position, exponeras de för en extra laserstråle, som stimulerar dem att avge ljus. Den resulterande fluorescensen visar sig i kvantgasmikroskopet som en något suddig, rund fläck.
"Vi har nu utvecklat en speciell metod för att deformera vågfronten av ljuset som sänds ut av atomen", förklarar Dr Andrea Alberti. Forskaren, som nu har flyttat från IAP till Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, deltog också i studien.
"Istället för de typiska runda fläckarna, producerar den deformerade vågfronten en hantelform på kameran som roterar runt sig själv. Riktningen i vilken denna hantel pekar beror på avståndet som ljuset måste färdas från atomen till kameran."
"Hanteln fungerar alltså lite som nålen på en kompass, vilket gör att vi kan läsa av z-koordinaten enligt dess orientering", säger Prof. Dr. Dieter Meschede. IAP-forskaren, vars forskargrupp genomförde studien, är också medlem i det transdisciplinära forskningsområdet "Matter" vid universitetet i Bonn.
Den nya metoden gör det möjligt att exakt bestämma en atoms position i tre dimensioner med en enda bild. Detta är viktigt, till exempel om du vill utföra kvantmekaniska experiment med atomer eftersom det ofta är viktigt att kunna kontrollera eller spåra deras position exakt. Detta gör det möjligt för forskare att få atomerna att interagera med varandra på önskat sätt.
Dessutom skulle metoden också kunna användas för att hjälpa till att utveckla nya kvantmaterial med speciella egenskaper. "Vi skulle till exempel kunna undersöka vilka kvantmekaniska effekter som uppstår när atomer är ordnade i en viss ordning", förklarar Dr Carrie Weidner från University of Bristol. "Detta skulle tillåta oss att simulera egenskaperna hos tredimensionella material till viss del utan att behöva syntetisera dem."
Mer information: Tangi Legrand et al, Tredimensionell avbildning av enstaka atomer i ett optiskt gitter via spiralformad punktspridningsfunktionsteknik, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.033304. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.05341
Tillhandahålls av University of Bonn
