Получение изображения внутреннего строения атома, его электронов, протонов и нейтронов, является невероятно сложной задачей, даже с учетом высокого уровня развития современных технологий. Все трудности в этом деле заключаются в том, что движение всех субатомных частиц описывается законами квантовой механики, которые не позволяют произвести внешнее вмешательство в движение частиц без нарушения этого движения. Вместо этого квантовая теория дает в руки ученых волновую функцию каждой частицы, которая описывает движение этой частицы и позволяет рассчитать вероятность обнаружения данной частицы в определенном месте в определенный момент времени. Используя эти известные волновые функции различных частиц, ученые-физики впервые оказались в состоянии сделать снимок «внутренностей» атома водорода, которой может обеспечить более глубокое понимание квантового мира и устройства всей материи, существующей во Вселенной.
Ученые физики могут рассчитать теоретически вид волновой функции каждой субатомной частицы, но измерить эту функцию на практике не предоставляется возможным из-за неизбежного нарушений этой функции в процессе измерения. Единственным доступным способом экспериментального измерения свойств волновых функций частиц является проведение множества одинаковых измерений на большом количестве атомов одного и того же вещества, помещенных в одинаковые условия. Получая данные по крупице с каждого измерения, в конце концов, можно получить достоверные характеристики искомой волновой функции отдельной субатомной частицы.
Ученые из лаборатории AMOLF, работающей под патронатом нидерландского Фонда фундаментальных исследований материи (Netherlands’ Foundation for Fundamental Research on Matter, FOM), в Амстердаме, продемонстрировали новый неразрушающий метод измерения волновых функций субатомных частиц. В основу их работы легли предположения, сделанные в 1981 году тремя российскими учеными-физиками и результаты более поздних исследований, которые сделали возможным реализацию теории на практике.
Сначала ученые нацелили на атом водорода, пойманный в ловушке, два луча лазерного света, что позволило выровнять направление и скорость вращения электронов до необходимых значений. Сильное приложенное электрическое поле заставляло эти электроны воздействовать на поверхность плоского датчика, сигналы от которого зависели только от скорости вращения электронов. Таким образом, распределение электронов, «поразивших» датчик, соответствовало волновой функции этих частиц. Это устройство позволило продемонстрировать распределение электронов и их волновую функцию на фосфоресцирующем экране как последовательность из темных и ярких колец, которая, в свою очередь, была снята цифровой камерой с высокой разрешающей способностью.
«Мы чрезвычайно довольны полученными результатами» — рассказывает Анета Стодолна (Aneta Stodolna), руководитель научной группы, — «Эти результаты, в основном касаются фундаментальной физики, но в будущем они могут внести огромный вклад в развитие технологий. Помимо того, что это может существенно продвинуть вперед область квантовой физики, это может обеспечить развитие таких технологий, как молекулярные проводники, проводники, толщиной в один атом и другие экзотические вещи, которые позволят миниатюризировать электронные устройства в будущем».
