Физици от САЩ успяха да заснемат отделни атоми на снимка с рекордна резолюция, съобщава Day.Az позовавайки се на Vesti.ru

Учени от университета Корнел в САЩ успяха да уловят отделни атоми в снимка с рекордна резолюция - по-малко от половин ангстрьом (0,39 Å). Предишните снимки имаха двойно по-ниска резолюция - 0,98 Å.

Мощни електронни микроскопи, които могат да виждат атоми, съществуват от половин век, но тяхната разделителна способност е ограничена от дължината на вълната на видимата светлина, която е по-голяма от средния диаметър на атома.

Затова учените използват един вид аналог на лещи, които фокусират и увеличават изображението в електронните микроскопи – те са магнитно поле. Флуктуациите в магнитното поле обаче изкривяват резултата. За отстраняване на изкривявания се използват допълнителни устройства, които коригират магнитното поле, но в същото време увеличават сложността на дизайна на електронния микроскоп.

По-рано физици от университета Корнел разработиха устройството Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), което заменя сложна система от генератори, които фокусират входящите електрони с една малка матрица с разделителна способност 128x128 пиксела, чувствителна към отделни електрони. Всеки пиксел записва ъгъла на отражение на електрона; знаейки го, учените, използвайки техниката на птикография, реконструират характеристиките на електроните, включително координатите на точката, откъдето е освободен.

Атоми в най-висока разделителна способност

David A. Muller et al. Природа, 2018 г.

През лятото на 2018 г. физиците решиха да подобрят качеството на получените изображения до рекордна резолюция до момента. Учените прикрепиха лист от 2D материал, молибденов сулфид MoS2, към подвижен лъч и освободиха снопове от електрони, завъртайки лъча под различни ъгли спрямо източника на електрони. Използвайки EMPAD и птикография, учените определиха разстоянията между отделните атоми на молибден и получиха изображение с рекордна разделителна способност от 0,39 Å.

„Всъщност ние създадохме най-малката линия в света“, обяснява Сол Грюнер, един от авторите на експеримента. В полученото изображение беше възможно да се различат серни атоми с рекордна разделителна способност от 0,39 Å. Освен това беше възможно дори да се различи място, където липсва един такъв атом (посочен със стрелка).

Серни атоми в рекордна резолюция

1. Но ще започнем от съвсем друга страна. Преди да тръгнем на пътешествие в дълбините на материята, нека насочим погледа си нагоре.

Например, известно е, че средно почти 400 хиляди километра до Луната, до Слънцето - 150 милиона, до Плутон (който вече не се вижда без телескоп) - 6 милиарда, до най-близката звезда Проксима Кентавър - 40 трилиона, до най-близката голяма галактика от мъглявината Андромеда - 25 квинтилона и накрая до покрайнините на наблюдаемата Вселена - 130 секстилона.

Впечатляващо е, разбира се, но разликата между всички тези „квадри-”, „квинти-” и „сексти-” не изглежда толкова огромна, въпреки че се различават хиляди пъти. Микрокосмосът е съвсем друг въпрос. Колко интересни неща могат да се крият в него, защото той просто няма къде да се побере там. Това ни казва здравият разум и не е наред.

2. Ако в единия край на логаритмичната скала начертаем най-малкото известно разстояние във Вселената, а в другия - най-голямото, то в средата ще има ... песъчинка. Диаметърът му е 0,1 мм.

3. Ако поставим 400 милиарда пясъчни зърна в един ред, техният ред ще обиколи цялото земно кълбо по екватора. И ако сложите същите 400 милиарда в торба, тя ще тежи около тон.

4. Дебелината на човешката коса е 50-70 микрона, тоест има 15-20 косъма на милиметър. За да очертаете разстоянието до луната с тях, ще са необходими 8 трилиона косми (ако ги добавите не по дължина, а по ширина, разбира се). Тъй като има около 100 хиляди от тях на главата на един човек, тогава ако съберете коса от цялото население на Русия, тя ще бъде повече от достатъчно за Луната и дори ще остане.

5. Размерът на бактериите е от 0,5 до 5 микрона. Ако увеличим средната бактерия до такъв размер, че да се побере удобно в дланта на ръката ни (100 хиляди пъти), дебелината на косъма става 5 метра.

6. Между другото, в човешкото тяло живеят цял ​​квадрилион бактерии, а общото им тегло е 2 килограма. Всъщност има дори повече от клетките на самото тяло. Така че е напълно възможно да се каже, че човек е точно такъв организъм, състоящ се от бактерии и вируси с малки включвания на нещо друго.

7. Размерите на вирусите се различават дори повече от бактериите - почти 100 хиляди пъти. Ако беше така с хората, те щяха да са високи от 1 сантиметър до 1 километър и социалното им взаимодействие би било любопитна гледка.

8. Средната дължина на най-често срещаните видове вируси е 100 нанометра или 10 ^ (- 7) градуса на метър. Ако отново извършим операцията на сближаване, така че вирусът да стане с размер на длан, тогава бактерията ще бъде дълга 1 метър, а косата ще бъде с дебелина 50 метра.

9. Дължината на вълната на видимата светлина е 400-750 нанометра и е просто невъзможно да се видят обекти под тази стойност. След като се опита да освети обект с такава светлина, вълната просто ще го заобиколи и няма да бъде отразена.

10. Понякога се задава въпросът как изглежда един атом или какъв цвят е той. Всъщност атомът не прилича на нищо. Просто нищо. И не защото имаме недостатъчно добри микроскопи, а защото размерът на атома е по-малък от разстоянието, за което съществува самото понятие "видимост" ...

11. 400 трилиона вируса могат да бъдат плътно опаковани по цялата обиколка на земното кълбо. много. Светлината изминава това разстояние в километри за 40 години. Но ако ги съберете заедно, те лесно ще се поберат на върха на пръста ви.

12. Приблизителният размер на водната молекула е 3 на 10 ^ (- 10) метра. В чаша вода има 10 септилиона молекули - приблизително същия брой милиметри от нас до галактиката Андромеда. А в един кубичен сантиметър въздух има 30 квинтилиона молекули (главно азот и кислород).

13. Диаметърът на въглеродния атом (основата на целия живот на Земята) е 3,5 на 10 ^ (- 10) метра, тоест дори малко по-голям от водна молекула. Водородният атом е 10 пъти по-малък - 3 на 10 ^ (- 11) метра. Това, разбира се, не е достатъчно. Но колко малко? Фактът, който изумява всяко въображение, е, че най-малкото, трудно различимо зърно сол се състои от 1 квинтилион атома.

Нека се обърнем към нашата стандартна скала и приближим водородния атом, така че да се побере удобно в ръката. Тогава вирусите ще бъдат с размери 300 метра, бактериите 3 километра, а дебелината на косата ще бъде равна на 150 километра и дори в легнало състояние тя ще излезе извън границите на атмосферата (и по дължина може да достигне до Луната ).

14. Така нареченият "класически" диаметър на електроните е 5,5 фемтометра или 5,5 на 10 ^ (- 15) метра. Размерите на протона и неутрона са още по-малки и възлизат на около 1,5 фемтометра. В един метър има приблизително същия брой протони, колкото има мравки на планетата Земя. Използваме вече познатото увеличение. Протонът лежи удобно в дланта ни - и тогава размерът на средния вирус ще бъде равен на 7000 километра (почти като цяла Русия от запад на изток, между другото), а дебелината на косата ще бъде 2 пъти по-голяма на Слънцето.

15. Трудно е да се каже нещо определено за размера. Предполага се, че са някъде в рамките на 10 ^ (- 19) - 10 ^ (- 18) метра. Най-малкият - истинският кварк - с "диаметър" (нека напишем тази дума в кавички, за да ви напомня за горното) 10 ^ (- 22) метра.

16. Има и такова нещо като неутрино. Погледнете дланта си. Трилион неутрино, излъчвани от Слънцето, минава през него всяка секунда. И не е нужно да криете ръката си зад гърба си. Неутрините лесно ще преминат през тялото ви, и през стена, и през цялата ни планета, и дори през слой олово с дебелина 1 светлинна година. "Диаметърът" на неутрино е 10 ^ (- 24) метра - тази частица е 100 пъти по-малка от истински кварк, или милиард пъти по-малка от протон, или 10 септилиона пъти по-малка от тиранозавър. Почти толкова пъти самият тиранозавър е по-малък от цялата наблюдавана Вселена. Ако увеличите неутриното, така че да е с размерите на портокал, тогава дори протонът ще бъде 10 пъти по-голям от Земята.

17. Засега искрено се надявам, че трябва да бъдете изумени от едно от следните две неща. Първо, можем да отидем още по-далеч (и дори да направим някои смислени предположения за това какво ще бъде там). Второто - но в същото време все още е невъзможно да се движим в дълбините на материята безкрайно и скоро ще се заровим в задънена улица. Но за да постигнем тези много „безизходни“ размери, ще трябва да се спуснем с още 11 порядъка, ако броим от неутрино. Тоест тези размери са 100 милиарда пъти по-малки от неутрино. Между другото, със същото количество песъчинка е по-малка от цялата планета.

18. И така, при размери от 10 ^ (- 35) метра ще открием такава прекрасна концепция като дължината на Планк - минималното разстояние, възможно в реалния свят (доколкото обикновено се вярва в съвременната наука).

19. Тук живеят и квантови струни - обектите са много забележителни от всяка гледна точка (например, те са едномерни, нямат дебелина), но за нашата тема е важно тяхната дължина също да е в рамките на 10 ^ (- 35) метра. Нека направим нашия стандартен експеримент с увеличение за последен път. Квантовата струна става удобен размер и ние я държим в ръката си като молив. В този случай неутриното ще бъде 7 пъти по-голямо от Слънцето, а водородният атом ще бъде 300 пъти по-голям от размера на Млечния път.

20. И накрая, стигаме до самата структура на Вселената – мащаба, в който пространството става подобно на времето, времето на пространството и се случват различни други странни неща. Няма нищо повече (вероятно) ...

Няма "липсващо звено" в човешката еволюция

Терминът „липсващо звено“ излезе от обращение в научните среди, тъй като се свързва с погрешното предположение, че еволюционният процес е линеен и върви последователно, „по верига“. Вместо това биолозите използват термина "последен общ прародител".

Интересни факти за Слънчевата система

Виждали ли сте някога атоми? Ти и аз сме съставени от тях, така че всъщност да. Но виждали ли сте някога един единствен атом? Наскоро удивителна снимка само на един атом, уловена от електрически полета, спечели престижния конкурс за научна фотография с най-високата награда. Снимката попадна в конкурса под съвсем логичното заглавие "Single Atom in Ion Trap", а неин автор е Дейвид Надлингер от Оксфордския университет.

Британският изследователски съвет по инженерни и физически науки (EPSRC) обяви победителите в своя национален конкурс за научна фотография, сред който главната награда отиде за снимка на един атом

На снимката атомът е представен като мъничко светлинно петънце между два метални електрода, разположени на разстояние около 2 мм.

Надпис на снимката:

"В центъра на снимката има малка ярка точка - един положително зареден стронциев атом. Той се държи почти неподвижно от електрически полета, излъчвани от околните метални електроди. Когато е осветен от синьо-виолетов лазер, атомът бързо поглъща и излъчва отново светлинни частици, така че конвенционален фотоапарат може да направи снимка с дълга експозиция."

"Снимката е направена през прозореца на свръхвисока вакуумна камера, в която се намира капанът. Лазерно охладените атомни йони са отлична база за изучаване и използване на уникалните свойства на квантовата физика. Те се използват за създаване на изключително точни часовници или в този случай като частици за изграждане на квантови компютри на бъдещето, които могат да решат проблеми, които засенчват днешните дори най-мощните суперкомпютри."

Ако все още не можете да видите атома, ето го

„Идеята, че можете да видите един атом с просто око, ме порази до сърцевината, като един вид мост между малкия квантов свят и нашата макроскопска реалност“, каза Дейвид Надлингер.

Въпреки това снимането на самия атом, а не на която и да е част от него, беше изключително трудна задача, дори и с използването на най-високотехнологичните устройства.

Факт е, че според законите на квантовата механика е невъзможно да се определят еднакво точно всички свойства на субатомната частица. Този раздел от теоретичната физика е изграден върху принципа на неопределеността на Хайзенберг, който гласи, че е невъзможно да се измерят еднакво точно координатите и импулса на частица - точните измервания на едно свойство със сигурност ще променят данните за друго.

Следователно, вместо да се определи местоположението (координатите на частицата), квантовата теория предлага да се измери така наречената вълнова функция.

Вълновата функция работи почти по същия начин като звуковата вълна. Единствената разлика е, че математическото описание на звукова вълна определя движението на молекулите във въздуха на определено място, а вълновата функция описва вероятността частица да се появи на определено място според уравнението на Шрьодингер.

Измерването на вълновата функция също е трудно (директните наблюдения водят до нейния колапс), но физиците-теоретици могат грубо да предскажат нейните стойности.

Възможно е експериментално да се измерят всички параметри на вълновата функция само ако са събрани от отделни разрушителни измервания, извършени върху напълно идентични системи от атоми или молекули.

Физици от холандския изследователски институт AMOLF представиха нов метод, който не изисква никакво "преструктуриране", и публикуваха резултатите от работата си в списанието Physical Review Letters. Тяхната методология се основава на хипотезата от 1981 г. на трима съветски физици-теоретици, както и на по-късни изследвания.

По време на експеримента екип от учени насочи два лазерни лъча към водородни атоми, поставени в специална камера. В резултат на този ефект електроните напускат орбитите си със скоростта и посоката, които се определят от техните вълнови функции. Силно електрическо поле в камерата, където са разположени водородните атоми, насочва електроните към определени части на равнинния (плосък) детектор.

Позицията на електроните, удрящи детектора, се определя от началната им скорост, а не от позицията им в камерата. Така разпределението на електроните върху детектора разказа на учените за вълновата функция на тези частици, която са имали, когато са напуснали орбита в ядрото на водородния атом.

Движенията на електроните бяха изобразени на фосфоресциращ екран под формата на тъмни и светли пръстени, които учените заснеха с цифров фотоапарат с висока разделителна способност.

"Много сме доволни от нашите резултати. Квантовата механика има толкова малко общо с ежедневния живот на хората, че едва ли някой би си помислил да направи истинска снимка на квантовите взаимодействия в атома", казва водещият автор Анета Стодолна. Тя също така твърди, че разработената техника може да има практически приложения, например за създаване на проводници с дебелина като атом, развитие на технологията на молекулярни проводници, която значително подобрява съвременните електронни устройства.

"Заслужава да се отбележи, че експериментът беше проведен именно върху водород - в същото време най-простото и най-разпространеното вещество в нашата Вселена. Ще бъде необходимо да се разбере дали тази техника може да се приложи към по-сложни атоми. но и нанотехнология, " казва Джеф Лундийн от Университета в Отава, който не е участвал в проучването.

Самите учени, които проведоха експеримента, обаче не мислят за практическата страна на въпроса. Те вярват, че тяхното откритие е свързано преди всичко с фундаменталната наука, която ще помогне за прехвърлянето на повече знания на бъдещите поколения физици.

Всъщност авторът на RTC в своите „размисли“ стигна дотам, че предизвика тежки контрааргументи, а именно данните от експеримента на японски учени за фотографиране на водородния атом, станал известен на 4 ноември 2010 г. Изображението ясно показва атомната форма, потвърждавайки както дискретността, така и закръглеността на атомите: „Група учени и специалисти от Токийския университет за първи път в света заснеха единичен водороден атом - най-лекият и най-малкият от всички атоми, според към информационните агенции.

Снимката е направена с помощта на една от най-новите технологии - специален сканиращ електронен микроскоп. С помощта на това устройство, заедно с водородния атом, е заснет единичен ванадиев атом.
Диаметърът на водороден атом е една десет милиарда от метъра. По-рано се смяташе, че е почти невъзможно да се снима с модерно оборудване. Водородът е най-разпространеното вещество. Неговата част в цялата Вселена е приблизително 90%.

Според учените по същия начин могат да бъдат уловени и други елементарни частици. „Сега можем да видим всички атоми, които изграждат нашия свят“, каза професор Юичи Икухара. „Това е пробив към новите форми на производство, когато в бъдеще ще бъде възможно да се вземат решения на ниво отделни атоми и молекули.“

Водороден атом, конвенционални цветове
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Група учени от Германия, Гърция, Холандия, САЩ и Франция направиха снимки на водородния атом. Тези изображения, получени с фотойонизационен микроскоп, показват разпределението на електронната плътност, което напълно съвпада с резултатите от теоретичните изчисления. Работата на международната група е представена на страниците на Physical Review Letters.

Същността на метода на фотойонизация се състои в последователната йонизация на водородните атоми, тоест в отделянето на електрон от тях поради електромагнитно облъчване. Отделените електрони се насочват към чувствителната матрица през положително зареден пръстен, а позицията на електрона в момента на сблъсък с матрицата отразява позицията на електрона в момента на йонизация на атома. Зареденият пръстен, който отклонява електроните настрани, действа като леща и с негова помощ изображението се увеличава милиони пъти.

Този метод, описан през 2004 г., вече беше използван за правене на „снимки“ на отделни молекули, но физиците отидоха по-далеч и използваха фотойонизационен микроскоп за изследване на водородни атоми. Тъй като ударът на един електрон дава само една точка, изследователите са натрупали около 20 хиляди отделни електрона от различни атоми и са съставили средно изображение на електронните обвивки.

Според законите на квантовата механика, електронът в атома няма определена позиция сам по себе си. Само когато атомът взаимодейства с външната среда, електрон с една или друга вероятност се проявява в определена близост до атомното ядро: областта, в която вероятността за откриване на електрон е максимална, се нарича електронна обвивка. Новите изображения показват разликите между атомите с различни енергийни състояния; учените успяха да демонстрират визуално формата на електронните обвивки, предсказани от квантовата механика.

С други инструменти, сканиращи тунелни микроскопи, отделните атоми могат не само да се видят, но и да се преместят на желаното място. Преди около месец тази техника позволи на инженерите на IBM да нарисуват карикатура, всеки кадър от който е съставен от атоми: подобни художествени експерименти нямат никакъв практически ефект, но демонстрират фундаменталната възможност за манипулиране на атоми. За приложни цели вече не се използва атомна сглобка, а химични процеси със самоорганизация на наноструктури или самоограничаване на растежа на моноатомни слоеве върху субстрат.