Sebuah atom hidrogen menangkap awan elektron. Dan meskipun fisikawan modern, dengan menggunakan akselerator, bahkan dapat menentukan bentuk proton, atom hidrogen tampaknya akan tetap menjadi objek terkecil, yang gambarannya masuk akal untuk disebut foto. Lenta.ru menyajikan ulasan metode modern memotret dunia mikro.
Sebenarnya, hampir tidak ada fotografi biasa yang tersisa saat ini. Gambar yang biasa kita sebut foto dan dapat ditemukan, misalnya, di laporan foto mana pun di Lenta.ru, sebenarnya adalah model komputer. Matriks peka cahaya dalam perangkat khusus (secara tradisional terus disebut "kamera") menentukan distribusi spasial intensitas cahaya dalam beberapa rentang spektral yang berbeda, elektronik kontrol menyimpan data ini dalam bentuk digital, dan kemudian lainnya sirkuit elektronik Berdasarkan data ini, ia memberikan perintah kepada transistor di layar kristal cair. Film, kertas, solusi khusus untuk pemrosesannya - semua ini menjadi eksotis. Dan jika kita mengingat arti harfiahnya, maka fotografi adalah “lukisan cahaya”. Jadi apa yang bisa kita katakan bahwa para ilmuwan berhasil mengambil foto atom, hanya mungkin dengan sejumlah konvensi.
Lebih dari separuh gambar astronomi telah lama diambil oleh teleskop inframerah, ultraviolet, dan sinar-X. Mikroskop elektron menyinari bukan dengan cahaya, tetapi dengan berkas elektron, sedangkan mikroskop gaya atom bahkan memindai relief sampel dengan jarum. Ada mikroskop sinar-X dan pemindai pencitraan resonansi magnetik. Semua perangkat ini memberi kita gambar yang akurat berbagai objek, dan meskipun, tentu saja, tidak perlu membicarakan "lukisan cahaya" di sini, kami tetap membiarkan diri kami menyebut gambar tersebut sebagai foto.
Eksperimen fisikawan untuk menentukan bentuk proton atau distribusi quark di dalam partikel akan tetap berada di belakang layar; cerita kita akan dibatasi pada skala atom.
Optik tidak pernah menjadi tua
Ternyata pada paruh kedua abad ke-20, mikroskop optik masih memiliki ruang untuk perbaikan. Momen yang menentukan dalam biologis dan penelitian medis adalah munculnya pewarna fluoresen dan metode yang memungkinkan pelabelan selektif zat tertentu. Ini bukan “hanya lapisan cat baru,” ini adalah sebuah revolusi nyata.
Berlawanan dengan kepercayaan umum, fluoresensi sama sekali bukan pendar dalam gelap (yang terakhir disebut pendaran). Ini adalah fenomena penyerapan kuanta energi tertentu (katakanlah, cahaya biru) diikuti dengan emisi kuanta lain dengan energi lebih rendah dan, karenanya, cahaya lain (bila biru diserap, kuanta hijau akan dipancarkan). Jika Anda memasang filter cahaya yang hanya mentransmisikan kuanta yang dipancarkan oleh pewarna dan menghalangi cahaya yang menyebabkan fluoresensi, Anda dapat melihat latar belakang gelap dengan bintik-bintik terang pada pewarna, dan pewarna tersebut, pada gilirannya, dapat mewarnai sampel dengan sangat selektif.
Misalnya, Anda bisa mengecat sitoskeleton sel saraf merah, sinapsis disorot dengan warna hijau, dan inti berwarna biru. Anda dapat membuat label fluoresen yang memungkinkan Anda mendeteksi reseptor protein pada membran atau molekul yang disintesis oleh sel dalam kondisi tertentu. Metode pewarnaan imunohistokimia telah mengalami revolusi ilmu biologi. Dan kapan insinyur genetika belajar membuat hewan transgenik dengan protein berpendar, metode ini telah mengalami kelahiran kembali: misalnya tikus dengan protein berwarna warna yang berbeda neuron.
Selain itu, para insinyur menemukan (dan mempraktikkan) metode yang disebut mikroskop confocal. Esensinya adalah bahwa mikroskop berfokus pada hal yang sangat lapisan tipis, dan diafragma khusus memotong cahaya yang dihasilkan oleh objek di luar lapisan ini. Mikroskop semacam itu dapat memindai sampel secara berurutan dari atas ke bawah dan memperoleh setumpuk gambar, yang merupakan dasar siap pakai untuk model tiga dimensi.
Penggunaan laser dan sistem kontrol sinar optik yang kompleks telah memungkinkan pemecahan masalah kelelahan pewarna dan pengeringan sampel biologis halus di bawah kondisi yang sama. cahaya terang: Sinar laser memindai sampel hanya bila diperlukan untuk pencitraan. Dan agar tidak membuang waktu dan tenaga untuk memeriksa spesimen besar melalui lensa mata dengan bidang pandang sempit, saran para insinyur sistem otomatis pemindaian: Anda dapat meletakkan gelas berisi sampel di atas panggung mikroskop modern, dan perangkat akan secara mandiri mengambil panorama skala besar dari seluruh sampel. Pada saat yang sama, ia akan fokus di tempat yang tepat, dan kemudian menyatukan banyak bingkai menjadi satu.
Beberapa mikroskop mungkin berisi tikus hidup, mencit, atau setidaknya hewan invertebrata kecil. Lainnya memberikan sedikit pembesaran, namun dikombinasikan dengan mesin X-ray. Untuk menghilangkan gangguan getaran, banyak yang dipasang di meja khusus dengan berat beberapa ton di dalam ruangan dengan iklim mikro yang dikontrol dengan cermat. Biaya sistem tersebut melebihi biaya mikroskop elektron lainnya, dan persaingannya paling besar bingkai yang indah sudah lama menjadi tradisi. Selain itu, peningkatan optik terus berlanjut: mulai dari mencari jenis kaca terbaik dan memilih kombinasi lensa yang optimal, para insinyur telah beralih ke cara memfokuskan cahaya.
Kami secara khusus telah mencantumkan sejumlah rincian teknis untuk menunjukkan: kemajuan di lapangan penelitian biologi telah lama dikaitkan dengan kemajuan di bidang lain. Jika tidak ada komputer yang dapat secara otomatis menghitung jumlah sel yang diwarnai dalam beberapa ratus foto, supermikroskop tidak akan banyak berguna. Dan tanpa pewarna fluoresen, jutaan sel tidak akan dapat dibedakan satu sama lain, sehingga hampir tidak mungkin untuk memantau pembentukan sel baru atau kematian sel lama.
Faktanya, mikroskop pertama adalah penjepit dengan lensa bulat terpasang padanya. Analog dari mikroskop semacam itu dapat berupa kartu remi sederhana dengan lubang di dalamnya dan setetes air. Menurut beberapa laporan, perangkat serupa telah digunakan oleh penambang emas di Kolyma pada abad terakhir.
Melampaui batas difraksi
Mikroskop optik memiliki kelemahan mendasar. Faktanya adalah bahwa dengan menggunakan bentuk gelombang cahaya tidak mungkin untuk merekonstruksi bentuk benda-benda yang ternyata jauh lebih pendek dari panjang gelombangnya: dengan keberhasilan yang sama Anda dapat mencoba memeriksa tekstur halus bahan dengan tangan Anda. sarung tangan las yang tebal.
Keterbatasan yang ditimbulkan oleh difraksi sebagian telah diatasi, tanpa melanggar hukum fisika. Dua keadaan yang membantu mikroskop optik menyelam di bawah penghalang difraksi: fakta bahwa selama kuanta fluoresensi dipancarkan oleh molekul pewarna individu (yang bisa berjauhan satu sama lain), dan fakta bahwa dengan melapiskan gelombang cahaya dimungkinkan untuk memperoleh cahaya terang. titik yang diameternya lebih kecil dari panjang gelombang.
Ketika ditumpangkan satu sama lain gelombang cahaya mampu saling memadamkan satu sama lain, sehingga parameter iluminasi sampel harus diatur sedemikian rupa sehingga area sekecil mungkin termasuk dalam area terang. Dalam kombinasi dengan algoritma matematika, yang memungkinkan, misalnya, menghilangkan bayangan pada gambar; pencahayaan terarah seperti itu memberikan peningkatan tajam dalam kualitas pemotretan. Misalnya, menjadi mungkin untuk memeriksa struktur intraseluler menggunakan mikroskop optik dan bahkan (dengan menggabungkan metode yang dijelaskan dengan mikroskop confocal) untuk mendapatkan gambar tiga dimensi dari struktur tersebut.
Mikroskop elektron ke instrumen elektronik
Untuk menemukan atom dan molekul, ilmuwan tidak perlu melihatnya – teori molekuler tidak perlu melihat objeknya. Namun mikrobiologi baru menjadi mungkin setelah ditemukannya mikroskop. Oleh karena itu, pada awalnya, mikroskop diasosiasikan secara khusus dengan kedokteran dan biologi: fisikawan dan kimiawan yang mempelajari benda-benda yang jauh lebih kecil terpaksa menggunakan cara lain. Ketika mereka ingin melihat dunia mikro, batasan difraksi menjadi masalah serius, terutama sejak metode yang dijelaskan di atas mikroskop fluoresensi masih belum diketahui. Dan tidak ada gunanya meningkatkan resolusi dari 500 menjadi 100 nanometer jika objek yang perlu diperiksa lebih kecil lagi!
Mengetahui bahwa elektron dapat berperilaku sebagai gelombang dan partikel, fisikawan dari Jerman menciptakan lensa elektron pada tahun 1926. Ide yang mendasarinya sangat sederhana dan dapat dimengerti oleh setiap anak sekolah: karena medan elektromagnetik membelokkan elektron, medan elektromagnetik dapat digunakan untuk mengubah bentuk berkas partikel dengan memisahkannya. sisi yang berbeda, atau, sebaliknya, mengurangi diameter balok. Lima tahun kemudian, pada tahun 1931, Ernst Ruska dan Max Knoll membangun mikroskop elektron pertama di dunia. Di dalam perangkat, sampel pertama-tama disinari oleh seberkas elektron, dan kemudian lensa elektron memperluas berkas yang melewatinya sebelum jatuh pada layar berpendar khusus. Mikroskop pertama memberikan perbesaran hanya 400 kali, tetapi penggantian cahaya dengan elektron membuka jalan bagi fotografi dengan perbesaran ratusan ribu kali: para perancang hanya perlu mengatasi beberapa kendala teknis.
Mikroskop elektron memungkinkan untuk memeriksa struktur sel dengan kualitas yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Namun dari gambar ini mustahil untuk memahami usia sel dan keberadaan protein tertentu di dalamnya, dan informasi ini sangat diperlukan bagi para ilmuwan.
Sekarang mikroskop elektron memungkinkan Anda memotret virus menutup. Ada berbagai modifikasi perangkat yang memungkinkan tidak hanya menerangi bagian tipis, tetapi juga memeriksanya dalam "cahaya yang dipantulkan" (tentu saja dalam elektron yang dipantulkan). Kami tidak akan membahas secara rinci tentang semua varian mikroskop, tetapi kami mencatat bahwa baru-baru ini para peneliti telah belajar merekonstruksi gambar dari pola difraksi.
Sentuh, bukan lihat
Revolusi lain terjadi melalui penyimpangan lebih jauh dari prinsip “cahaya dan penglihatan”. Mikroskop gaya atom, serta pemindaian mikroskop terowongan, tidak lagi menyinari apa pun di permukaan sampel. Sebaliknya, jarum yang sangat tipis bergerak melintasi permukaan, yang benar-benar memantul bahkan pada ketidakteraturan seukuran atom individu.
Tanpa merinci semua metode tersebut, kami mencatat hal utama: jarum mikroskop terowongan tidak hanya dapat digerakkan di sepanjang permukaan, tetapi juga digunakan untuk mengatur ulang atom dari satu tempat ke tempat lain. Beginilah cara para ilmuwan membuat prasasti, gambar, dan bahkan kartun di mana seorang anak laki-laki bermain dengan atom. Sebuah atom xenon asli diseret oleh ujung mikroskop penerowongan pemindai.
Mikroskop terowongan disebut mikroskop karena menggunakan efek arus terowongan yang mengalir melalui jarum: elektron melewati celah antara jarum dan permukaan karena prediksi mekanika kuantum efek terowongan. Perangkat ini memerlukan ruang hampa untuk beroperasi.
Mikroskop gaya atom (AFM) tidak terlalu menuntut kondisi lingkungan - ia dapat (dengan sejumlah batasan) beroperasi tanpa memompa udara. Dalam arti tertentu, AFM adalah penerus nanoteknologi gramofon. Jarum dipasang pada braket kantilever yang tipis dan fleksibel ( penopang dan terdapat “braket”), bergerak sepanjang permukaan tanpa memberikan tegangan padanya dan mengikuti relief sampel dengan cara yang sama seperti jarum gramofon mengikuti alur piringan hitam. Pembengkokan kantilever menyebabkan cermin yang dipasang di atasnya membelok; cermin membelokkan sinar laser, dan ini memungkinkan seseorang untuk menentukan bentuk sampel yang diteliti dengan sangat akurat. Yang utama adalah memiliki sistem pergerakan jarum yang cukup akurat, serta persediaan jarum yang harus tajam sempurna. Jari-jari kelengkungan di ujung jarum tersebut tidak boleh melebihi satu nanometer.
AFM memungkinkan Anda melihat atom individu dan molekul, namun, seperti mikroskop terowongan, tidak memungkinkan seseorang untuk melihat ke bawah permukaan sampel. Dengan kata lain, ilmuwan harus memilih antara kemampuan melihat atom atau kemampuan mempelajari keseluruhan objek. Namun, bahkan untuk mikroskop optik, bagian dalam sampel yang diteliti tidak selalu dapat diakses, karena mineral atau logam biasanya tidak mentransmisikan cahaya dengan baik. Selain itu, masih terdapat kesulitan dalam memotret atom - benda tersebut tampak seperti bola sederhana, bentuk awan elektron tidak terlihat pada gambar tersebut.
Radiasi sinkrotron, yang terjadi ketika partikel bermuatan yang dipercepat oleh akselerator diperlambat, memungkinkan untuk mempelajari sisa-sisa fosil hewan prasejarah. Memutar sampel ke bawah sinar-x, kita dapat memperoleh tomogram tiga dimensi - misalnya, otak ditemukan di dalam tengkorak ikan yang punah 300 juta tahun yang lalu. Rotasi dapat dilakukan tanpa rotasi jika radiasi yang ditransmisikan direkam dengan merekam sinar-X yang tersebar akibat difraksi.
Dan ini tidak semua peluang yang terbuka radiasi sinar-X. Ketika disinari dengannya, banyak bahan berpendar, dan berdasarkan sifat fluoresensi seseorang dapat menentukannya komposisi kimia zat: dengan cara ini, para ilmuwan mewarnai artefak kuno, karya Archimedes yang terhapus pada Abad Pertengahan, atau mewarnai bulu burung yang telah lama punah.
Pose atom
Dengan latar belakang semua peluang yang diberikan oleh metode sinar-X atau fluoresen optik, cara baru memotret atom individu sepertinya bukan lagi terobosan besar dalam sains. Inti dari metode yang memungkinkan diperolehnya gambar yang disajikan minggu ini adalah sebagai berikut: elektron dilepaskan dari atom terionisasi dan dikirim ke detektor khusus. Setiap tindakan ionisasi menghilangkan elektron dari posisi tertentu dan memberikan satu titik pada “foto”. Setelah mengumpulkan beberapa ribu titik tersebut, para ilmuwan membentuk gambar yang menunjukkan lokasi yang paling mungkin untuk mendeteksi elektron di sekitar inti atom, dan ini, menurut definisi, adalah awan elektron.
Kesimpulannya, kemampuan melihat atom individu dengan awan elektronnya merupakan hal yang sangat mudah mikroskop modern. Penting bagi para ilmuwan untuk mempelajari struktur bahan, mempelajari sel dan kristal, dan perkembangan teknologi yang dihasilkan memungkinkan pencapaian atom hidrogen. Apa pun yang kurang dari itu sudah menjadi perhatian para ahli fisika partikel elementer. Dan para ahli biologi, ilmuwan material, dan ahli geologi masih memiliki ruang untuk menyempurnakan mikroskop, bahkan dengan perbesaran yang cukup kecil dibandingkan dengan latar belakang atom. Spesialis neurofisiologi, misalnya, sudah lama ingin memiliki perangkat yang mampu melihat sel-sel individual di dalam otak yang hidup, dan pencipta penjelajah Mars akan menjual jiwa mereka demi mikroskop elektron yang bisa muat di dalamnya. pesawat ruang angkasa dan bisa bekerja di Mars.
Mikroskop Elektron Transmisi Pemindaian Nion Hermes berharga £3,7 juta ($5,5 juta) dan dapat melihat objek satu juta kali lebih kecil dari rambut manusia. Trik utama mikroskop elektron adalah alih-alih menggunakan berkas foton seperti mikroskop cahaya konvensional, ia menggunakan berkas elektron. Panjang gelombang elektron lebih pendek, sehingga memungkinkan pembesaran lebih besar dengan resolusi lebih baik.
Adapun cakupan penerapan perangkat semacam itu sangat luas. Sebagai permulaan, mari kita ambil teknik elektro. Semua orang lebih menyukai perangkat portabel yang ringkas. Gadget kita semakin hari semakin kecil. Untuk membuatnya, Anda memerlukan transistor, semikonduktor, dan bagian lainnya, tetapi untuk membuat produk miniatur seperti itu, Anda harus mampu mengoperasikan bahan pada tingkat atom. Lagi pula, jika Anda menambahkan atom ekstra ke struktur, misalnya graphene, lembaran atom karbon dua dimensi, material itu sendiri akan berubah! Oleh karena itu, diperlukan pengendalian atom khusus untuk menjaga keutuhan material.
Para ilmuwan di laboratorium SuperSTEM sedang mengembangkan proyek mereka dengan molibdenum disulfida. Ini adalah material 2D lainnya, seperti graphene. Ia digunakan sebagai katalis industri, misalnya untuk menghilangkan sulfur dari bahan bakar fosil. Perusahaan kimia Denmark Haldor Topsoe menggunakan mikroskop elektron untuk mempelajari bagaimana penataan ulang atom molibdenum disulfida dapat mempengaruhi sifat katalitiknya.
Mikroskop super juga diminati dalam pengobatan nano. Hal ini dapat digunakan untuk memeriksa seberapa aman molekul obat melekat pada nanopartikel yang bertindak sebagai pengangkut obat.
Juga, dengan bantuannya Anda dapat mempertimbangkan struktur kristal partikel debu meteorit. Meski begitu, semua ini hanyalah awal yang baik untuk masa depan.
Mari kita mencobanya. Saya tidak berpikir bahwa semua yang ditulis di bawah ini sepenuhnya adil, dan saya mungkin melewatkan sesuatu, tetapi analisis terhadap jawaban yang ada untuk pertanyaan serupa dan pikiranku sendiri berbaris seperti ini:
Mari kita ambil atom hidrogen: satu proton dan satu elektron pada orbitnya.
Jari-jari atom hidrogen sama persis dengan jari-jari orbit elektronnya. Di alam, ukurannya sama dengan 53 pikometer, yaitu 53x10^-12 meter, tetapi kami ingin meningkatkannya menjadi 30x10^-2 meter - sekitar 5 miliar kali lipat.
Diameter proton (yaitu kita inti atom) - 1,75×10^−15 m. Jika Anda memperbesarnya ke ukuran yang diinginkan, ukurannya akan menjadi 1×10^−5 meter, yaitu seperseratus milimeter. Hal ini tidak dapat dibedakan dengan mata telanjang.
Mari kita tingkatkan protonnya hingga seukuran kacang polong. Orbit elektron akan menjadi radius lapangan sepak bola.
Proton akan mewakili wilayah tersebut muatan positif. Ia terdiri dari tiga quark, yang ukurannya sekitar seribu kali lebih kecil - kita pasti tidak akan melihatnya. Ada pendapat bahwa jika objek hipotetis ini ditaburi serutan magnet, objek tersebut akan berkumpul di sekitar pusatnya menjadi awan berbentuk bola.
Elektron tidak akan terlihat. Tidak ada bola yang bisa terbang mengelilingi inti atom; “orbit” elektron hanya berada pada satu wilayah saja poin yang berbeda di mana sebuah elektron dapat ditemukan dengan probabilitas berbeda. Kita dapat membayangkannya sebagai sebuah bola dengan diameter sebesar stadion di sekeliling kacang polong kita. DI DALAM poin acak di dalam lingkungan ini sesuatu yang negatif muncul dan lenyap seketika muatan listrik. Selain itu, ia melakukannya dengan sangat cepat sehingga bahkan pada saat tertentu pun tidak masuk akal untuk membicarakan lokasi spesifiknya... ya, itu tidak dapat dipahami. Sederhananya, itu tidak "terlihat" seperti apa pun.
Menariknya, dengan memperbesar sebuah atom ke dimensi makroskopis, kita berharap dapat “melihatnya” – yaitu, mendeteksi cahaya yang dipantulkan darinya. Faktanya, atom berukuran biasa tidak memantulkan cahaya; pada skala atom kita berbicara tentang interaksi antara elektron dan foton. Sebuah elektron dapat menyerap foton dan berpindah ke foton berikutnya tingkat energi, dapat memancarkan foton dan sebagainya. Secara hipotetis, meningkatkan sistem ini hingga seukuran lapangan sepak bola akan memerlukan terlalu banyak asumsi untuk memprediksi perilaku struktur mustahil ini: apakah foton akan memiliki efek yang sama pada atom raksasa? Apakah kita perlu “melihatnya” dengan membombardirnya dengan foton raksasa khusus? Akankah ia memancarkan foton raksasa? Semua pertanyaan ini, sebenarnya, tidak masuk akal. Namun menurut saya, dapat dikatakan bahwa atom tidak akan memantulkan cahaya seperti bola logam.
Kemampuan untuk melihat partikel subatom dengan mata kepala sendiri sangatlah penting fisika modern. Sebelumnya, para ilmuwan telah berhasil mengambil foto dan. Namun, tampaknya sangat sulit untuk memotret atom itu sendiri, dan bukan bagian mana pun darinya. tugas yang sulit bahkan saat menggunakan perangkat berteknologi paling tinggi.
Faktanya adalah bahwa menurut hukum mekanika kuantum, tidak mungkin menentukan semua properti secara akurat partikel subatom. Bagian ini fisika teoretis dibangun berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menyatakan bahwa tidak mungkin mengukur koordinat dan momentum suatu partikel secara akurat - pengukuran yang akurat terhadap satu sifat tentu akan mengubah data tentang sifat lainnya.
Oleh karena itu, alih-alih menentukan lokasi (koordinat partikel), teori kuantum mengusulkan untuk mengukur apa yang disebut fungsi gelombang.
Fungsi gelombang bekerja dengan cara yang hampir sama seperti gelombang suara. Satu-satunya perbedaan adalah itu deskripsi matematika gelombang suara menentukan pergerakan molekul di udara pada suatu tempat tertentu, dan fungsi gelombang menggambarkan kemungkinan munculnya suatu partikel di tempat tertentu menurut persamaan Schrödinger.
Mengukur fungsi gelombang juga sulit (pengamatan langsung menyebabkan keruntuhannya), tetapi fisikawan teoretis dapat memperkirakan nilainya secara kasar.
Ukur semua parameter secara eksperimental fungsi gelombang hanya mungkin jika dirangkai dari pengukuran destruktif terpisah yang dilakukan pada sistem atom atau molekul yang sepenuhnya identik.
Fisikawan dari Belanda lembaga penelitian AMOLF disajikan metode baru, yang tidak memerlukan “restrukturisasi” apa pun, dan mempublikasikan hasil karyanya di jurnal Physical Review Letters. Teknik mereka didasarkan pada hipotesis tahun 1981 berumur tiga tahun Fisikawan teoretis Soviet, serta dalam penelitian yang lebih baru.
Selama percobaan, tim ilmuwan mengarahkan dua sinar laser ke atom hidrogen yang ditempatkan di ruang khusus. Akibat tumbukan ini, elektron meninggalkan orbitnya dengan kecepatan dan arah yang ditentukan oleh fungsi gelombangnya. Medan listrik yang kuat di dalam ruangan yang berisi atom hidrogen mengarahkan elektron ke bagian tertentu dari detektor planar (datar).
Posisi elektron yang mengenai detektor ditentukan olehnya kecepatan awal, dan bukan posisi di kamera. Dengan demikian, distribusi elektron pada detektor memberi tahu para ilmuwan tentang fungsi gelombang partikel-partikel ini ketika mereka meninggalkan orbit di sekitar inti atom hidrogen.
Pergerakan elektron ditampilkan pada layar berpendar dalam bentuk cincin gelap dan terang, yang difoto oleh para ilmuwan dengan kamera digital resolusi tinggi.
“Kami sangat senang dengan hasil kami. Mekanika kuantum sangat sedikit hubungannya kehidupan sehari-hari orang-orang yang hampir tidak ada orang yang berpikir untuk mendapatkan foto asli interaksi kuantum dalam atom,” kata penulis utama studi tersebut, Aneta Stodolna. Dia juga mengklaim bahwa teknik yang dikembangkan dapat memiliki manfaat tersebut aplikasi praktis, misalnya, untuk membuat konduktor setebal atom, mengembangkan teknologi kawat molekuler, yang secara signifikan akan meningkatkan perangkat elektronik modern.
“Patut dicatat bahwa percobaan ini dilakukan secara khusus pada hidrogen, yang merupakan zat paling sederhana dan paling umum di alam semesta kita atom kompleks. Jika ya, maka ini terobosan besar, yang memungkinkan pengembangan tidak hanya elektronik, tetapi juga nanoteknologi,” kata Jeff Lundeen dari Universitas Ottawa, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Namun, para ilmuwan sendiri yang melakukan percobaan tersebut tidak memikirkan hal tersebut sisi praktis pertanyaan. Mereka percaya bahwa penemuan mereka terutama berkaitan dengan ilmu dasar, yang akan membantu mewariskan lebih banyak pengetahuan kepada generasi fisikawan masa depan.
Di foto ini Anda melihat yang pertama gambar langsung elektron mengorbit mengelilingi atom - sebenarnya, fungsi gelombang atom!
Untuk memotret struktur orbital atom hidrogen, para peneliti menggunakan mikroskop kuantum canggih, sebuah perangkat luar biasa yang memungkinkan para ilmuwan mengintip ke dalam bidang fisika kuantum.
Struktur orbital ruang dalam suatu atom ditempati oleh sebuah elektron. Namun ketika mendeskripsikan sifat mikroskopis materi, para ilmuwan mengandalkan fungsi gelombang - metode matematika deskripsi keadaan kuantum partikel, yaitu bagaimana mereka berperilaku dalam ruang dan waktu.
Sebagai aturan, di fisika kuantum gunakan rumus seperti persamaan Schrödinger untuk menggambarkan keadaan partikel.
Hambatan dalam perjalanan peneliti
Hingga saat ini, para ilmuwan belum pernah mengamati fungsi gelombang secara nyata. Mencoba menangkap posisi atau momentum yang tepat dari sebuah elektron seperti mencoba menangkap segerombolan lalat. Pengamatan langsung terdistorsi oleh fenomena yang sangat tidak menyenangkan - koherensi kuantum.
Untuk mengukur semua keadaan kuantum, Anda memerlukan instrumen yang dapat melakukan beberapa pengukuran keadaan partikel dari waktu ke waktu.
Tapi bagaimana cara meningkatkan keadaan yang sudah mikroskopis? partikel kuantum? Sekelompok peneliti internasional menemukan jawabannya. Menggunakan mikroskop kuantum, perangkat yang menggunakan fotoionisasi untuk mengamati struktur atom secara langsung.
Dalam artikelnya di majalah populer Surat Tinjauan Fisik, Aneta Stodolna bekerja di institut fisika molekuler(AMOLF) di Belanda menjelaskan bagaimana dia dan timnya memperoleh struktur orbital elektron simpul atom hidrogen yang ditempatkan dalam medan listrik statis.
Metode kerja
Setelah disinari dengan pulsa laser, elektron terionisasi meninggalkan orbitnya dan sepanjang lintasan terukur jatuh ke dalam detektor 2D (pelat saluran mikro ganda. Detektor terletak tegak lurus dengan medan itu sendiri). Ada banyak lintasan yang dapat dilalui elektron sebelum bertabrakan dengan detektor. Hal ini memberi peneliti serangkaian pola interferensi—model yang mencerminkan struktur nodal fungsi gelombang.
Para peneliti menggunakan lensa elektrostatis yang memperbesar gelombang elektron keluar lebih dari 20.000 kali.
