Эти снимки показывают, как частицы ведут себя в реальности, а не только в теоретических расчетах.

До сих пор такие квантовые эффекты предсказывали, но не видели воочию.

Результаты опубликованы в Physical Review Letters, и теперь ученые смогут буквально разглядывать то, что раньше существовало лишь в уравнениях.

Метод, который придумала команда, работает так: сначала облако атомов отпускают «на свободу» — дают им двигаться и сталкиваться.

Затем включают световую решетку, которая на мгновение замораживает атомы на месте.

После этого их подсвечивают точно настроенными лазерами, фиксируя положение, прежде чем частицы разлетятся.

Ученые применили этот подход к разным типам атомов и сделали несколько открытий.

Например, они увидели, как бозоны — частицы, способные занимать одно и то же состояние, — собираются вместе, образуя квантовую волну.

А еще запечатлели фермионы — частицы, которые отталкиваются, — в момент образования пар.

Это ключевой процесс для сверхпроводимости.

Мы видим отдельные атомы и то, как они ведут себя по отношению друг к другу — это прекрасно, — говорит Мартин Цвирляйн, профессор физики MIT.

В том же номере журнала две другие группы ученых — одна под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, другая из парижской École Normale Supérieure — представили похожие методы визуализации.

Кеттерле показал усиленную корреляцию пар бозонов, а французская команда сняла облако невзаимодействующих фермионов.

Как все происходит

Один атом — это примерно одна десятимиллиардная метра.

В отличие от привычных объектов, они подчиняются законам квантовой механики: нельзя одновременно точно знать, где атом находится и с какой скоростью движется.

Обычно атомы фотографируют с помощью абсорбционной визуализации — когда лазерный луч освещает облако, а его тень проецируется на экран.

Так можно увидеть общую форму облака, но не отдельные атомы, — объясняет Цвирляйн.

Это как разглядывать тучу, не замечая отдельных капель.

Его команда пошла другим путем. Их метод — микроскопия с атомным разрешением — выглядит так:

1. Атомы удерживают в ловушке из лазерного луча, где они свободно взаимодействуют.
2. Затем включают световую решетку, мгновенно фиксируя атомы на месте.
3. Второй лазер подсвечивает их, и флуоресценция выдает точное положение каждого.

Самое сложное — собрать свет от атомов, не разрушив их, — говорит Цвирляйн.

Представьте, что вы направляете на них огнемет — им это не понравится. Мы научились делать это аккуратно. И впервые заморозили движение атомов прямо во время взаимодействия, чтобы рассмотреть их поодиночке.

Что удалось увидеть

Бозоны (как фотоны) притягиваются, а фермионы (как электроны) отталкиваются. Ученые сначала сняли облако бозонов из атомов натрия. При сверхнизких температурах они образуют конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние, в котором все частицы ведут себя как одна.

Теперь команда MIT разглядела, как бозоны сбиваются в группы, подтвердив их волновую природу.

Это предсказывал еще Луи-де Бройль, и именно его гипотеза положила начало квантовой механике.

Затем физики сняли два типа фермионов (атомов лития). Обычно они отталкивают «собратьев», но с противоположным типом могут образовывать пары. На снимках видно, как это происходит — ключевой момент для понимания сверхпроводимости.

Раньше такое поведение описывали уравнениями, а теперь мы видим его в реальности, — говорит соавтор исследования Ричард Флетчер.

Физика — это про реальные вещи.

В будущем метод позволит изучать еще более странные явления, например квантовый эффект Холла, где электроны ведут себя необъяснимо под действием магнитного поля.

Теории там настолько сложные, что ученые рисуют схемы, потому что не могут описать все математически, — говорит Цвирляйн.

Теперь мы можем проверить, существуют ли эти схемы на самом деле. Потому что они выглядят совершенно невероятно.

Этот прорыв — не просто красивые картинки. Он позволяет:

• Прямо проверять теории — больше не нужно гадать, как ведут себя атомы в реальности.
• Изучать сверхпроводимость — понимание пар фермионов приближает нас к материалам без сопротивления при комнатной температуре.
• Разбираться в квантовых аномалиях — например, почему электроны в магнитном поле вдруг начинают двигаться «неправильно».
• Создавать новые технологии — от квантовых компьютеров до сверхчувствительных датчиков.

Ранее ученые подсмотрели, как ведет себя атом в кристаллической решетке.