Fyzici poprvé pozorují jednotlivé srážky atomů při difuzi

Dr. Michael Hohmann, hlavní autor studie (foto: soukromé)

Obrázek ukazuje vakuovou buňku, s níž fyzikové provádějí své pokusy. (Foto: AG Widera)

Pod pojmem difuze vědci chápou proces, při kterém se nejmenší částice ve vzduchu nebo kapalině rovnoměrně rozšiřují. Přestože tyto prostředí tvoří jednotlivé částice, vnímá se difuze jako kontinuální proces. Efekty jednotlivého nárazu mezi částicemi, základní stavební kameny difuze, dosud nebyly pozorovány. Poprvé se fyzikům z Kaiserslauternu a Erlangenu podařilo pozorovat a teoreticky popsat základní kroky při difuzi jednotlivých atomů v plynu. Studie byla zveřejněna v prestižním odborném časopise Physical Review Letters.

Už téměř před 200 lety pozoroval skotský lékař a vědec Robert Brown třesoucí se pohyb pylových zrnek v kapalině. Podobně jako pylové částice se i nejmenší částice, například molekuly nebo atomy, rozptylují v plynech a kapalinách. Při tom se jednotlivé částice srážejí, což vytváří vzor zick-zackových pohybů a umožňuje mísení různých látek. Tyto třesoucí se pohyby jsou ve vědě označovány jako „Brownův pohyb“, rozšiřování a mísení různých látek jako difuze.

„Difuze má v mnoha oblastech velký význam a je základem mnoha transportních procesů, například v živých buňkách nebo v energetických uložištích,“ říká profesor Dr. Artur Widera, který na Technické univerzitě (TU) Kaiserslautern zkoumá kvantovou fyziku jednotlivých atomů a ultrastudených kvantových plynů. „Porozumění difuzním procesům je proto důležité téměř ve všech oblastech životních věd, od přírodních věd po technologický vývoj.“

Jednoduché pochopení difuze ve vědě je možné, když se zanedbají jednotlivé srážky částic. „V tomto kontextu mluvíme také o kontinuálním médiu, do kterého například větší částice, jako pyl, difundují. Tato zjednodušení jsou tím přesnější, čím menší je hmotnost částic v médiu a čím vyšší je frekvence srážek,“ vysvětluje Dr. Michael Hohmann, hlavní autor studie a vědecký pracovník u profesora Widera. Příklad z každodenního života je mlha. Mlha může být považována za takové médium, i když se skládá z drobných jednotlivých kapek vody.

Pro svůj experiment fyzikové z Widera změnili podmínky, které platí v kontinuálním médiu: „Pro difuzi jsme místo velkých částic, jako jsou pyl, použili jednotlivé atomy, které mají téměř stejnou hmotnost jako atomy plynu. Navíc jsme použili velmi chladný, tenký plyn, aby se frekvence srážek výrazně snížila,“ vysvětluje Hohmann. Poprvé tak vědci z Kaiserslauternu pozorovali, jak se cesiové atomy v plynu z rubidiového plynu téměř při absolutní nulté teplotě difundují. „U těchto teplot již nefunguje žádná chladnička. Atomy jsme ochladili a zadrželi v vakuové aparatuře pomocí laserových paprsků. Difuze se tímto způsobem zpomalila natolik, že bylo možné pozorovat jednotlivé kroky difuze,“ popisuje profesor Widera konstrukci experimentu.

Pro teoretické popsání experimentu byli vědci z Kaiserslauternu podpořeni svým kolegou, fyzikem profesorem Dr. Ericem Lutz z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), který se podílel na vývoji matematického modelu. „S tímto novým modelem nyní můžeme lépe popsat pohyb atomů,“ říká Erlangenský vědec.

Společně dokázali, že stačí změnit odporový faktor při teoretickém výpočtu kontinuálního modelu. Tímto způsobem lze popsat i případy, kdy se nejedná o kontinuální médium, například v tenkých vrstvách vzduchu v horní atmosféře, v mezihvězdném prostoru nebo v technologii vakua, kdy se zde rozšiřují aerosoly, směs suspendovaných částic.

Zjištění vědců mohou být například užitečná pro lepší pochopení šíření aerosolů v atmosféře nebo plynů v vakuových zařízeních.

Vydavatelé časopisu Physical Review Letters oceňují studii jako zvlášť zajímavou a čtivou práci a zveřejňují ji jako Editor's Suggestion: „Individuální tracerové atomy v ultrastudeném zředěném plynu.“ DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Jako doplněk k publikaci je k dispozici anglicky psaný fokusový článek v online časopise „Physics“: https://physics.aps.org/articles/v10/76