I fisici degli Stati Uniti sono riusciti a catturare singoli atomi in una foto con una risoluzione record, riferisce Day.Az con riferimento a Vesti.ru

Gli scienziati della Cornell University negli Stati Uniti sono riusciti a catturare singoli atomi in una foto con una risoluzione record di meno di mezzo angstrom (0,39 Å). Le fotografie precedenti avevano la metà della risoluzione: 0,98 Å.

Potenti microscopi elettronici in grado di vedere gli atomi sono in circolazione da mezzo secolo, ma la loro risoluzione è limitata dalla lunga lunghezza d'onda della luce visibile, che è maggiore del diametro di un atomo medio.

Pertanto, gli scienziati usano una sorta di analogo delle lenti che mettono a fuoco e ingrandiscono l'immagine nei microscopi elettronici: sono un campo magnetico. Tuttavia, le fluttuazioni del campo magnetico distorcono il risultato. Per rimuovere le distorsioni, vengono utilizzati dispositivi aggiuntivi che correggono il campo magnetico, ma allo stesso tempo aumentano la complessità del design del microscopio elettronico.

In precedenza, i fisici della Cornell University hanno sviluppato l'Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), che sostituisce un complesso sistema di generatori che focalizzano gli elettroni in entrata con un unico piccolo array di 128x128 pixel sensibile ai singoli elettroni. Ogni pixel registra l'angolo di riflessione degli elettroni; Conoscendolo, gli scienziati utilizzando la tecnica della pticografia ricostruiscono le caratteristiche degli elettroni, comprese le coordinate del punto da cui è stato rilasciato.

Atomi alla massima risoluzione

David A. Müller et al. Natura, 2018.

Nell'estate del 2018, i fisici hanno deciso di migliorare la qualità delle immagini risultanti a una risoluzione da record fino ad oggi. Gli scienziati hanno fissato un foglio di materiale 2D - solfuro di molibdeno MoS2 - su un raggio mobile e rilasciato fasci di elettroni ruotando il raggio ad angoli diversi rispetto alla sorgente di elettroni. Utilizzando EMPAD e ptyicography, gli scienziati hanno determinato le distanze tra i singoli atomi di molibdeno e ottenuto un'immagine con una risoluzione record di 0,39 Å.

"In effetti, abbiamo creato il righello più piccolo del mondo", spiega Sol Gruner (Sol Gruner), uno degli autori dell'esperimento. Nell'immagine risultante, è stato possibile vedere atomi di zolfo con una risoluzione record di 0,39 Å. Inoltre, siamo anche riusciti a vedere il punto in cui manca uno di questi atomi (indicato da una freccia).

Atomi di zolfo a risoluzione record

1. Ma inizieremo da un lato completamente diverso. Prima di intraprendere un viaggio nelle profondità della materia, rivolgiamo lo sguardo verso l'alto.

Ad esempio, è noto che la distanza media dalla Luna è di quasi 400 mila chilometri, dal Sole - 150 milioni, da Plutone (che non è più visibile senza un telescopio) - 6 miliardi, dalla stella più vicina Proxima Centauri - 40 trilioni, alla grande galassia più vicina della Nebulosa di Andromeda - 25 quintilioni, e infine alla periferia dell'Universo osservabile - 130 sestilioni.

Impressionante, ovviamente, ma la differenza tra tutti questi "quadri-", "quinti-" e "sex-" non sembra così grande, sebbene differiscano mille volte l'uno dall'altro. Il microcosmo è tutt'altra cosa. Come possono essere nascoste così tante cose interessanti in esso, perché semplicemente non ha un posto dove inserirsi lì. Così ci dice il buon senso sbagliato.

2. Se a un'estremità della scala logaritmica rimandiamo la distanza più piccola conosciuta nell'Universo e all'altra - la più grande, allora nel mezzo ci sarà ... un granello di sabbia. Il suo diametro è di 0,1 mm.

3. Se metti in fila 400 miliardi di granelli di sabbia, la loro fila girerà intorno all'intero globo lungo l'equatore. E se raccogli gli stessi 400 miliardi in una borsa, peserà circa una tonnellata.

4. Lo spessore di un capello umano è di 50–70 micron, cioè ce ne sono 15–20 per millimetro. Per tracciare la distanza dalla Luna con loro, ci vorranno 8 trilioni di capelli (se li aggiungi non in lunghezza, ma in larghezza, ovviamente). Dal momento che ce ne sono circa 100 mila sulla testa di una persona, se raccogli i capelli dall'intera popolazione della Russia, ce ne saranno più che sufficienti per la luna e anche di più.

5. La dimensione dei batteri va da 0,5 a 5 micron. Se aumentiamo il batterio medio a una dimensione tale da adattarsi comodamente al nostro palmo (100mila volte), lo spessore dei capelli diventerà pari a 5 metri.

6. A proposito, un intero quadrilione di batteri vive all'interno del corpo umano e il loro peso totale è di 2 chilogrammi. Ce ne sono, infatti, anche di più delle cellule del corpo stesso. Quindi è del tutto possibile dire che una persona è proprio un tale organismo, costituito da batteri e virus con piccole inclusioni di qualcos'altro.

7. Le dimensioni dei virus differiscono anche più dei batteri, quasi 100 mila volte. Se questo fosse il caso degli umani, sarebbero alti tra 1 centimetro e 1 chilometro e la loro interazione sociale sarebbe uno spettacolo curioso.

8. La lunghezza media delle varietà più comuni di virus è di 100 nanometri, o 10^(-7) gradi di metro. Se eseguiamo nuovamente l'operazione di approssimazione in modo che il virus diventi delle dimensioni di un palmo, la lunghezza del batterio sarà di 1 metro e lo spessore dei capelli sarà di 50 metri.

9. La lunghezza d'onda della luce visibile è di 400-750 nanometri ed è semplicemente impossibile vedere oggetti più piccoli di questo valore. Cercando di illuminare un tale oggetto, l'onda semplicemente lo circonderà e non verrà riflessa.

10. A volte le persone chiedono che aspetto abbia un atomo o di che colore sia. In effetti, l'atomo non assomiglia a niente. Proprio per niente. E non perché non abbiamo microscopi abbastanza buoni, ma perché la dimensione di un atomo è inferiore alla distanza per la quale esiste il concetto stesso di "visibilità" ...

11. Intorno alla circonferenza del globo, 400 trilioni di virus possono essere densamente imballati. Molti. La luce percorre questa distanza in chilometri in 40 anni. Ma se li metti tutti insieme, possono stare facilmente sulla punta delle dita.

12. La dimensione approssimativa di una molecola d'acqua è 3 per 10^(-10) metri. In un bicchiere d'acqua ci sono 10 settilioni di tali molecole, a circa altrettanti millimetri da noi alla Galassia di Andromeda. E in un centimetro cubo d'aria ci sono 30 quintilioni di molecole (principalmente azoto e ossigeno).

13. Il diametro dell'atomo di carbonio (la base di tutta la vita sulla Terra) è di 3,5 per 10^ (-10) metri, cioè anche poco più delle molecole d'acqua. L'atomo di idrogeno è 10 volte più piccolo - 3 per 10 ^ (-11) metri. Questo, ovviamente, non basta. Ma quanto poco? Il fatto sorprendente è che il granello di sale più piccolo, appena distinguibile, è costituito da 1 quintilione di atomi.

Torniamo alla nostra scala standard e ingrandiamo l'atomo di idrogeno in modo che si adatti comodamente alla mano. I virus avranno quindi una dimensione di 300 metri, i batteri 3 chilometri e lo spessore dei capelli sarà di 150 chilometri, e anche in uno stato disteso andrà oltre i confini dell'atmosfera (e in lunghezza può raggiungere la luna).

14. Il cosiddetto diametro dell'elettrone "classico" è 5,5 femtometri o 5,5 per 10^(-15) metri. La dimensione del protone e del neutrone è ancora più piccola, circa 1,5 femtometri. Ci sono circa lo stesso numero di protoni in un metro quante sono le formiche sul pianeta Terra. Usiamo l'ingrandimento già a noi familiare. Il protone giace comodamente nel nostro palmo, quindi la dimensione media del virus sarà pari a 7.000 chilometri (quasi come l'intera Russia da ovest a est, tra l'altro), e lo spessore di un capello sarà 2 volte il dimensione del Sole.

15. È difficile dire qualcosa di preciso sulle dimensioni. Dovrebbero essere tra 10^(-19) - 10^(-18) metri. Il più piccolo - un vero quark - ha un "diametro" (scriviamo questa parola tra virgolette per ricordarci quanto sopra) 10^ (-22) metri.

16. Esistono anche i neutrini. Guarda il tuo palmo. Ogni secondo, un trilione di neutrini emessi dal Sole lo attraversa. E non puoi nascondere la tua mano dietro la schiena. I neutrini passeranno facilmente attraverso il tuo corpo, e attraverso il muro, e attraverso il nostro intero pianeta, e anche attraverso uno strato di piombo spesso 1 anno luce. Il "diametro" di un neutrino è 10 ^ (-24) metri: questa particella è 100 volte più piccola di un vero quark, o un miliardo di volte più piccola di un protone, o 10 settilioni di volte più piccola di un tirannosauro rex. Quasi altrettante volte il tirannosauro stesso è più piccolo dell'intero universo osservabile. Se aumenti il ​​neutrino in modo che abbia le dimensioni di un'arancia, anche un protone sarà 10 volte più grande della Terra.

17. E ora spero sinceramente che una delle seguenti due cose ti colpisca. In primo luogo, possiamo andare ancora oltre (e anche fare alcune ipotesi significative su cosa ci sarà). Il secondo - ma allo stesso tempo è ancora impossibile approfondire la questione all'infinito, e presto ci imbatteremo in un vicolo cieco. Questo è solo per raggiungere queste dimensioni molto "vicolo cieco", dovremo scendere di altri 11 ordini di grandezza, se contiamo dai neutrini. Cioè, queste dimensioni sono 100 miliardi di volte più piccole dei neutrini. Per la stessa quantità, un granello di sabbia è più piccolo del nostro intero pianeta, tra l'altro.

18. Quindi, sulle dimensioni di 10 ^ (-35) metri, stiamo aspettando un concetto così meraviglioso come la lunghezza di Planck: la distanza minima possibile nel mondo reale (per quanto sia considerata nella scienza moderna).

19. Anche le stringhe quantistiche vivono qui - oggetti che sono davvero notevoli da qualsiasi punto di vista (ad esempio, sono unidimensionali - non hanno spessore), ma per il nostro argomento è importante che anche la loro lunghezza sia entro 10^(-35 ) metri. Facciamo il nostro esperimento standard di "ingrandimento" un'ultima volta. La stringa quantistica diventa di una dimensione conveniente e la teniamo in mano come una matita. In questo caso, il neutrino sarà 7 volte più grande del Sole e l'atomo di idrogeno sarà 300 volte più grande della Via Lattea.

20. Infine, arriviamo alla struttura stessa dell'universo: la scala in cui lo spazio diventa come il tempo, il tempo diventa spazio e accadono varie altre cose bizzarre. Non c'è più niente (probabilmente) ...

Non c'è nessun "anello mancante" nell'evoluzione umana

Il termine "anello mancante" è uscito dalla circolazione negli ambienti scientifici, in quanto è associato all'errata ipotesi che il processo evolutivo sia lineare e vada sequenzialmente, "lungo la catena". Invece, i biologi usano il termine "ultimo antenato comune".

Fatti interessanti sul sistema solare

Atomi mai visti? Noi siamo uno di loro, quindi in effetti sì. Ma hai mai visto un singolo atomo? Di recente, una straordinaria fotografia di un solo atomo catturato da campi elettrici ha vinto un prestigioso concorso di fotografia scientifica, ricevendo il più alto riconoscimento. La foto ha partecipato al concorso con il nome abbastanza logico "Single Atom in Ion Trap" (Un atomo in una trappola ionica), e il suo autore è David Nadlinger dell'Università di Oxford.

Il British Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) ha annunciato i vincitori del suo concorso nazionale di fotografia scientifica, con una foto di un singolo atomo che ha vinto il primo premio.

Nella foto, l'atomo è rappresentato come un minuscolo granello di luce tra due elettrodi metallici distanziati di circa 2 mm l'uno dall'altro.

Didascalia foto:

"Un piccolo punto luminoso è visibile al centro della fotografia: un singolo atomo di stronzio caricato positivamente. È tenuto quasi immobile dai campi elettrici emanati dagli elettrodi di metallo che lo circondano. Quando illuminato da un laser blu-viola, l'atomo assorbe e riemettere particelle di luce abbastanza rapidamente, per cui una fotocamera convenzionale avrebbe potuto fotografarlo con una lunga esposizione".

"La foto è stata scattata attraverso la finestra di una camera ad ultra alto vuoto contenente una trappola. Gli ioni atomici raffreddati al laser sono un'ottima base per studiare e sfruttare le proprietà uniche della fisica quantistica. Sono usati per creare orologi estremamente accurati o, in in questo caso, come particelle per la costruzione di computer quantistici del futuro che saranno in grado di risolvere problemi che oscurano anche i supercomputer più potenti di oggi".

Se non hai ancora considerato l'atomo, allora eccolo qui

"L'idea di poter vedere un singolo atomo ad occhio nudo mi ha colpito nel profondo, essendo una specie di ponte tra il minuscolo mondo quantistico e la nostra realtà macroscopica", ha detto David Nadlinger.

Tuttavia, fotografare l'atomo stesso, e non una sua parte, è stato un compito estremamente difficile, anche con i dispositivi più tecnologici.

Il fatto è che secondo le leggi della meccanica quantistica, è impossibile determinare con la stessa precisione tutte le proprietà di una particella subatomica. Questa sezione di fisica teorica si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che è impossibile misurare le coordinate e la quantità di moto di una particella con la stessa precisione: misurazioni accurate di una proprietà cambieranno sicuramente i dati sull'altra.

Pertanto, invece di determinare la posizione (coordinate delle particelle), la teoria quantistica propone di misurare la cosiddetta funzione d'onda.

La funzione d'onda funziona più o meno allo stesso modo di un'onda sonora. L'unica differenza è che la descrizione matematica di un'onda sonora determina il movimento delle molecole nell'aria in un determinato luogo e la funzione d'onda descrive la probabilità che una particella appaia in un luogo o nell'altro secondo l'equazione di Schrödinger.

Anche misurare la funzione d'onda non è facile (le osservazioni dirette ne provocano il collasso), ma i fisici teorici possono predire approssimativamente i suoi valori.

È possibile misurare sperimentalmente tutti i parametri della funzione d'onda solo se viene raccolta da misurazioni distruttive separate eseguite su sistemi di atomi o molecole completamente identici.

I fisici dell'istituto di ricerca olandese AMOLF hanno presentato un nuovo metodo che non richiede alcuna "ricostruzione" e hanno pubblicato i risultati del loro lavoro sulla rivista Physical Review Letters. La loro metodologia si basa su un'ipotesi del 1981 di tre fisici teorici sovietici, nonché su ricerche più recenti.

Durante l'esperimento, il team di scienziati ha diretto due raggi laser su atomi di idrogeno posti in una camera speciale. Come risultato di un tale impatto, gli elettroni hanno lasciato le loro orbite alla velocità e nella direzione determinate dalle loro funzioni d'onda. Un forte campo elettrico nella camera, dove si trovavano gli atomi di idrogeno, inviava elettroni ad alcune parti del rivelatore planare (piatto).

La posizione degli elettroni che colpivano il rivelatore era determinata dalla loro velocità iniziale, non dalla loro posizione nella camera. Pertanto, la distribuzione degli elettroni sul rivelatore ha rivelato agli scienziati la funzione d'onda di queste particelle, che avevano quando hanno lasciato l'orbita attorno al nucleo dell'atomo di idrogeno.

I movimenti degli elettroni sono stati visualizzati su uno schermo fosforescente sotto forma di anelli scuri e luminosi, che gli scienziati hanno fotografato con una fotocamera digitale ad alta risoluzione.

"Siamo molto soddisfatti dei nostri risultati. La meccanica quantistica ha così poco a che fare con la vita quotidiana delle persone che quasi nessuno avrebbe pensato di ottenere una vera fotografia delle interazioni quantistiche nell'atomo", afferma Aneta Stodolna, autrice principale dello studio. Afferma inoltre che la tecnica sviluppata può anche avere applicazioni pratiche, ad esempio per creare conduttori spessi un atomo, per sviluppare la tecnologia dei fili molecolari, che migliorerà significativamente i moderni dispositivi elettronici.

"È interessante notare che l'esperimento è stato condotto sull'idrogeno, che è la sostanza sia più semplice che più comune nel nostro Universo. Sarà necessario capire se questa tecnica può essere applicata ad atomi più complessi. Se sì, allora questo è un grande passo avanti che ci consentirà di sviluppare non solo l'elettronica, ma anche la nanotecnologia", afferma Jeff Lundeen dell'Università di Ottawa, che non è stato coinvolto nello studio.

Tuttavia, gli stessi scienziati che hanno condotto l'esperimento non pensano al lato pratico della questione. Credono che la loro scoperta riguardi principalmente la scienza fondamentale, che aiuterà a trasferire più conoscenze alle future generazioni di fisici.

In effetti, l'autore di RFC nelle sue "riflessioni" è andato così lontano che è giunto il momento di richiamare pesanti controargomentazioni, ovvero i dati dell'esperimento degli scienziati giapponesi sulla fotografia dell'atomo di idrogeno, divenuto noto il 4 novembre 2010. L'immagine mostra chiaramente la forma atomica, confermando sia la discrezione che la rotondità degli atomi: "Un gruppo di scienziati e specialisti dell'Università di Tokyo ha fotografato per la prima volta al mondo un singolo atomo di idrogeno, il più leggero e il più piccolo di tutti gli atomi, notizie rapporto delle agenzie.

L'immagine è stata scattata utilizzando una delle ultime tecnologie: uno speciale microscopio elettronico a scansione. Usando questo dispositivo, insieme a un atomo di idrogeno, è stato fotografato anche un atomo di vanadio separato.
Il diametro di un atomo di idrogeno è un decimiliardesimo di metro. In precedenza, si credeva che fosse quasi impossibile fotografarlo con attrezzature moderne. L'idrogeno è la sostanza più comune. La sua quota nell'intero Universo è di circa il 90%.

Secondo gli scienziati, altre particelle elementari possono essere catturate allo stesso modo. "Ora possiamo vedere tutti gli atomi che compongono il nostro mondo", ha detto il professor Yuichi Ikuhara. "Questa è una svolta verso nuove forme di produzione, quando in futuro sarà possibile prendere decisioni a livello di singoli atomi e molecole".

Atomo di idrogeno, colori condizionali
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Un gruppo di scienziati provenienti da Germania, Grecia, Paesi Bassi, Stati Uniti e Francia ha fotografato l'atomo di idrogeno. Queste immagini, ottenute con un microscopio a fotoionizzazione, mostrano la distribuzione della densità elettronica, che coincide completamente con i risultati dei calcoli teorici. Il lavoro del gruppo internazionale è presentato nelle pagine di Physical Review Letters.

L'essenza del metodo di fotoionizzazione è la ionizzazione sequenziale degli atomi di idrogeno, ovvero la rimozione di un elettrone da essi a causa dell'irradiazione elettromagnetica. Gli elettroni separati sono diretti alla matrice sensibile attraverso un anello caricato positivamente e la posizione dell'elettrone al momento della collisione con la matrice riflette la posizione dell'elettrone al momento della ionizzazione dell'atomo. L'anello carico, che devia gli elettroni di lato, svolge il ruolo di una lente e con il suo aiuto l'immagine viene ingrandita milioni di volte.

Questo metodo, descritto nel 2004, è già stato utilizzato per scattare "foto" di singole molecole, ma i fisici sono andati oltre e hanno utilizzato un microscopio a fotoionizzazione per studiare gli atomi di idrogeno. Poiché colpire un elettrone dà solo un punto, i ricercatori hanno accumulato circa 20.000 singoli elettroni da atomi diversi e hanno calcolato la media dell'immagine dei gusci di elettroni.

Secondo le leggi della meccanica quantistica, un elettrone in un atomo non ha una posizione definita di per sé. Solo quando un atomo interagisce con l'ambiente esterno, un elettrone con l'una o l'altra probabilità appare in un determinato quartiere del nucleo atomico: la regione in cui la probabilità di trovare un elettrone è massima è chiamata guscio di elettroni. Le nuove immagini mostrano differenze tra atomi di diversi stati energetici; gli scienziati sono stati in grado di dimostrare visivamente la forma dei gusci di elettroni prevista dalla meccanica quantistica.

Con l'aiuto di altri strumenti, scansionando microscopi a tunnel, i singoli atomi non solo possono essere visti, ma anche spostati nel posto giusto. Questa tecnica, circa un mese fa, ha permesso agli ingegneri IBM di disegnare un cartone animato, ogni fotogramma del quale è composto da atomi: tali esperimenti artistici non hanno alcun effetto pratico, ma dimostrano la possibilità fondamentale di manipolare gli atomi. Ai fini applicativi non si tratta più di un assemblaggio atomico, ma di processi chimici con autorganizzazione di nanostrutture o autolimitazione della crescita di strati monoatomici su un substrato.