Dogonić elektron

Sfilmowanie elektronu w ruchu to nie lada sztuka. Udało się to uczonym z Uniwersytetu w Lund w Szwecji.

Dogonić elektron
Spłycając nieco problem, można powiedzieć, że naukowcy borykali się z tym samym problemem, z jakim do czynienia ma wielu fotografów amatorów. Jak zrobić zdjęcie szybko poruszającego się obiektu? Bez aparatu z odpowiednio szybką migawką obraz jadącego samochodu czy biegacza jest zamazany, niewyraźny. Obiekt trzeba dobrze oświetlić i sfotografować w możliwie najkrótszym czasie. Wtedy jest szansa, że będzie wyraźny. Naukowcy z Lund zrobili dokładnie to samo. Skonstruowali niezwykle szybki aparat. A właściwie lampę błyskową, która rzucała cień krążącego wokół jądra atomowego elektronu. Jak szybka musiała być lampa błyskowa? Bardzo szybka. Pełny czas obiegu elektronu wynosi około 150 attosekund. Atto to odwrotność tryliona. Innymi słowy, gdyby jedną sekundę podzielić na miliard miliardów odcinków czasowych, jeden taki kawałek trwałby właśnie jedną attosekundę. I w tym tempie błyskała laserowa lampa błyskowa (stroboskopowa), którą skonstruowano w Lund. Dodatkowo naukowcy zastosowali nową technikę korekcji obrazu, która spowalniała ruch poruszającej się z zawrotną prędkością cząstki.

Przeprowadzone niedawno, a opisane w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters” doświadczenie nie jest pierwszym, którego przedmiotem jest badanie elektronu w ruchu. Poprzednie eksperymenty miały jednak charakter pośredni, a teraz udało się zaobserwować cząstkę bezpośrednio. Badacze biorący udział w projekcie podkreślają, że to bardzo ważne dokonanie. Chociażby w kontekście tego, że to właśnie ruch elektronów, czyli prąd elektryczny, steruje czy zasila praktycznie wszystkie procesy w naszym świecie. – Wiedząc, jak obserwować i kontrolować poruszanie się elektronów w wyniku różnych reakcji, będziemy mogli dojść do możliwości sterowania nimi – twierdzi dr Mauritsson – szef grupy badaczy.

Nie trzeba być siłaczem
Mniej więcej w tym samym czasie innej grupie badaczy – z centrum badawczo-rozwojowego IBM Almaden Research Center (w USA) oraz Uniwersytetu w Regensburgu (w Niemczech) udało się zmierzyć siłę potrzebną do przesunięcia jednego atomu. Naukowcy wykorzystali do tego celu mikroskop sił atomowych (AFM). Przy jego użyciu sprawdzali, co trzeba zrobić, by przemieścić jeden atom kobaltu po złotej, a później miedzianej powierzchni. Tego typu badania pozwalają zrozumieć procesy, jakie leżą u podstaw tworzenia syntetycznych materiałów. W przyszłości pomogą też określić siły oddziaływania między poszczególnymi elementami nanourządzeń czy w końcu projektować nowe związki chemiczne.
Badania z użyciem mikroskopu AFM polegają na zmierzeniu sił, jakie występują między drgającą igłą mikroskopu a analizowanym atomem. Okazało się, że aby móc przesunąć atom kobaltu po złotej powierzchni, trzeba dysponować siłą równą 210 pikoniutonów, natomiast ruch takiego atomu po miedzi zachodzi 10-krotnie łatwiej. Pikoniuton, to jedna bilionowa część niutona. To dużo czy mało ? Niezwykle mało. Na masę 1 kg przy powierzchni ziemi działa siła ok. 10 niutonów albo inaczej 1 niuton to siła, jaka działa na obiekt o masie około 100 g w ziemskim polu grawitacyjnym. By przesunąć atom, wystarczy siła bilion razy mniejsza. Bilion to inaczej tysiąc miliardów. Prawda, że mało?