Fizycy po raz pierwszy obserwują pojedyncze zderzenia atomów podczas dyfuzji

Dr. Michael Hohmann, główny autor badania (Zdjęcie: prywatne)

Obraz przedstawia komórkę próżniową, z którą fizycy przeprowadzają swoje eksperymenty. (Zdjęcie: AG Widera)

Pod pojęciem dyfuzji badania rozumieją proces, w którym najmniejsze cząstki równomiernie rozprzestrzeniają się w gazie lub cieczy. Pomimo że te media składają się z pojedynczych cząstek, dyfuzja jest postrzegana jako proces ciągły. Dotychczas nie zaobserwowano efektów pojedynczego zderzenia między cząstkami, które jest podstawowym elementem dyfuzji. Po raz pierwszy fizycy z Kaiserslautern i Erlangen mogli zaobserwować i teoretycznie opisać fundamentalne kroki dyfuzji pojedynczych atomów w gazie. Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie Physical Review Letters.

Już prawie 200 lat temu szkocki lekarz i badacz Robert Brown zaobserwował drgające ruchy pyłków w cieczy. Podobnie jak kurz kwiatowy, najmniejsze cząstki, na przykład cząsteczki lub atomy, rozprzestrzeniają się w gazach i cieczach. Podczas tego procesu pojedyncze cząstki zderzają się ze sobą, tworząc wzór zygzakowatych ruchów i mieszając różne substancje. Te drgające ruchy nazywane są w nauce „ruchami Browna”, a rozprzestrzenianie i mieszanie różnych substancji – dyfuzją.

„Dyfuzja ma duże znaczenie w wielu dziedzinach i leży u podstaw wielu procesów transportowych, na przykład w komórkach żywych czy magazynach energii” – mówi profesor dr Artur Widera, pracujący na Politechnice w Kaiserslautern, zajmujący się fizyką kwantową pojedynczych atomów i ultrazimnych gazów kwantowych. „Zrozumienie procesów dyfuzji jest więc ważne niemal we wszystkich dziedzinach nauk o życiu, od nauk przyrodniczych po rozwój technologii.”

Proste zrozumienie dyfuzji w nauce można osiągnąć, pomijając zderzenia pojedynczych cząstek. „W tym kontekście mówimy też o medium ciągłym, do którego na przykład dyfunduje większa cząstka. To uproszczenie jest tym lepsze, im mniejsza jest masa cząstek w medium i im częstsze są zderzenia” – wyjaśnia dr Michael Hohmann, główny autor badania i pracownik naukowy profesora Widery. Przykładem z codziennego życia jest mgła. Można ją uznać za takie medium, choć składa się z drobnych kropli wody.

Do swojego eksperymentu fizycy z Widerą zmienili warunki panujące w medium ciągłym: „Użyliśmy do dyfuzji zamiast dużych cząstek, takich jak pyłki, pojedyncze atomy, które mają prawie taką samą masę jak atomy gazu. Dodatkowo użyliśmy bardzo zimnego, cienkiego gazu, aby drastycznie obniżyć częstotliwość zderzeń” – wyjaśnia Hohmann. Po raz pierwszy badacze z Kaiserslautern zaobserwowali, jak atomy cezu dyfundują w gazie z atomami rubidu, niemal w temperaturze zera bezwzględnego. „Przy tych temperaturach nie działa już żaden lodówka. Atomów schłodziliśmy i zatrzymaliśmy w próżniowej aparaturze za pomocą promieni laserowych. Dyfuzja została tak spowolniona, że można było zaobserwować pojedyncze kroki dyfuzji” – wyjaśnia profesor Widera.

W teoretycznym opisie eksperymentu badacze z Kaiserslautern wspomagani byli przez kolegę, profesora fizyki teoretycznej dr. Erica Lutza z Uniwersytetu Erlangen-Nürnberg (FAU), który opracował model matematyczny. „Dzięki temu nowemu modelowi możemy lepiej opisać ruch atomów” – mówi badacz z Erlangen.

Razem udało im się wykazać, że wystarczy zmienić współczynnik tarcia w teoretycznym obliczeniu modelu ciągłego. W ten sposób można opisać również przypadki, gdy, jak w powyższym eksperymencie, nie mamy do czynienia z medium ciągłym. Dotyczy to na przykład cienkich warstw powietrza w górnej atmosferze, przestrzeni międzygwiezdnej czy technologii próżniowej, gdy rozprzestrzeniają się tu aerozole, czyli mieszanina zawieszonych cząstek.

Wyniki badań mogą być na przykład przydatne do lepszego zrozumienia rozprzestrzeniania się aerozoli w atmosferze lub gazów w urządzeniach próżniowych.

Redaktorzy czasopisma Physical Review Letters uznali badanie za szczególnie interesującą i wartą przeczytania pracę i opublikowali je jako „Sugestia redakcyjna”: „Indywidualne atomy śledzące w ultrazimnym rozcieńczonym gazie”. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Uzupełniając publikację, dostępny jest artykuł w języku angielskim w internetowym czasopiśmie „Physics”: https://physics.aps.org/articles/v10/76