Fizikusok először figyelnek meg egyedi ütközéseket az atomok között diffúzió során

Dr. Michael Hohmann, a tanulmány első szerzője (Kép: magán)

A kép egy vákuumcellát mutat, amellyel a fizikusok kísérleteiket végzik. (Fotó: AG Widera)

A diffúzió kutatása egy olyan folyamatot ért, amikor a legkisebb részecskék egy gáznemű vagy folyékony közegben egyenletesen terjednek. Bár ezek a közeganyagok egyes részecskékből állnak, a diffúziót folyamatos folyamatként érzékeljük. Egyetlen részecske közötti ütközés hatásait, mint a diffúzió alapvető építőkövét, eddig nem figyelték meg. Először sikerült a Kaiserslautern-i és Erlangen-i fizikusoknak megfigyelni és elméletileg leírni az egyes atomok diffúziójának alapvető lépéseit egy gázban. A tanulmányt a neves Physical Review Letters folyóiratban publikálták.

Szinte 200 évvel ezelőtt a skóciai orvos és kutató, Robert Brown megfigyelte a pollen részecskék remegő mozgását egy folyadékban. Hasonlóan a virágszirmok portörléséhez, a legkisebb részecskék, például molekulák vagy atomok, gázokban és folyadékokban egyaránt szétterjednek. Ezek az egyes részecskék összeütköznek egymással, így mintázatot alkotnak zigzag mozgásokból, és különböző anyagok keverednek össze. Ez a remegő mozgás a tudományban „Brown-mozgásnak” nevezett jelenség, míg az anyagok terjedését és keveredését diffúziónak hívják.

„A diffúzió sok területen nagy jelentőséggel bír, és számos szállítási folyamat alapját képezi, például élő sejtekben vagy energiatárolókban” – mondja Prof. Dr. Widera Artur, aki a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen (TU) kvantumfizikát tanulmányoz egyes atomok és ultrastabil kvantumgázok témakörében. „A diffúziós folyamatok megértése szinte minden élet- és természettudományi területen, valamint a technológiai fejlesztésekben is fontos.”

Egyszerűen megértve a diffúziót a tudományban, ha figyelmen kívül hagyjuk az egyes részecskék ütközéseit. „Ebben az összefüggésben egy folyamatos közegként beszélünk, amelybe például egy nagyobb részecske diffundál. Ez a leegyszerűsítés annál jobb, minél kisebb a részecskék tömege a közegben, és minél gyakoribbak az ütközések” – mondja Dr. Michael Hohmann, a tanulmány első szerzője és a professzor Widera munkatársa. Egy mindennapi példa a köd. Ez a közeg is tekinthető ilyen típusúnak, annak ellenére, hogy apró vízcseppekből áll.

A fizikusok a kísérletük során megváltoztatták a folyamatos közegben uralkodó feltételeket: „A diffúzióhoz nagyobb részecskék, például pollen helyett, egyes atomokat használtunk, amelyek majdnem ugyanakkora tömeggel rendelkeznek, mint a gáz atomjai. Emellett egy nagyon hideg, vékony gázt alkalmaztunk, hogy drasztikusan csökkentsük az ütközések gyakoriságát” – magyarázza Hohmann. Először figyelhették meg a Kaiserslautern-i kutatók, hogy a rubídium-atomok szinte az abszolút nulla fok körüli hőmérsékleten diffundálnak egy cézium-atomokból álló gázban. „Ezeken a hőmérsékleteken már nem működik a hűtőszekrény. Az atomokat lézerfény segítségével hűtöttük és tartottuk egy vákuumkamrában. Ez annyira lelassította a diffúziót, hogy az egyes lépések megfigyelhetők voltak” – magyarázza Widera professzor a kísérleti felállást.

A kísérlet elméleti leírásában a Kaiserslautern-i kutatókat kollégájuk, Dr. Eric Lutz elméleti fizikus, a Friedrich-Alexander Egyetem Erlangen-Nürnberg (FAU) professzora támogatta, aki a matematikai modellezést is kidolgozta. „Ezzel az új modellel jobban tudjuk leírni az atomok mozgását” – mondja az erlang-i kutató.

Együtt sikerült bizonyítaniuk, hogy elegendő a folyamatos modellnél a súrlódási tényezőt megváltoztatni a számítások során. Így olyan eseteket is le lehet írni, mint a fent említett kísérlet, ahol nem egy folyamatos közeg van jelen. Ez például a vékony légkörrétegekben az atmoszférában, az intergalaktikus térben vagy vákuumtechnológiában fordul elő, amikor aeroszolok, azaz szálló részecskék keveréke terjed.

A kutatók eredményei például hasznosak lehetnek az aeroszolok terjedésének jobb megértésében az atmoszférában vagy a gázok vákuumkamrákban történő viselkedésének tanulmányozásában.

A Physical Review Letters szaklap szerkesztői a tanulmányt különösen érdekesnek és olvasmányosnak tartják, és szerkesztői javaslatként publikálják: „Egyéni nyomkövető atomok ultrakönnyű, híg gázban.” DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Az eredeti publikációhoz kapcsolódóan elérhető egy angol nyelvű fókuszcikk az „Physics” online folyóiratban: https://physics.aps.org/articles/v10/76