Künstlerische Darstellung eines Wirbels. (Weiquan Lin/Getty Images) Physiker haben den ersten atomaren Wirbelstrahl geschaffen – einen wirbelnden Tornado aus Atome und Moleküle mit mysteriösen Eigenschaften, die noch verstanden werden müssen.
Indem Wissenschaftler einen geraden Strahl aus Heliumatomen durch ein Gitter mit winzigen Schlitzen schickten, konnten sie die seltsamen Regeln der Quantenmechanik nutzen, um den Strahl in einen wirbelnden Wirbel zu verwandeln.
Der zusätzliche Schwung, der durch die Rotation des Strahls entsteht, der so genannte orbitale Drehimpuls, gibt ihm eine neue Richtung, in die er sich bewegen kann, und ermöglicht es ihm, auf eine Weise zu agieren, die Forscher noch nicht vorhergesagt haben.
Sie glauben beispielsweise, dass die Rotation der Atome zusätzliche Dimensionen hinzufügen könnte Magnetismus zum Strahl, neben anderen unvorhersehbaren Effekten aufgrund der Elektronen und Kerne in den spiralförmigen Wirbelatomen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.
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„Eine Möglichkeit besteht darin, dass dies auch das magnetische Moment des Atoms verändern könnte“, also den intrinsischen Magnetismus eines Teilchens, der es wie einen winzigen Stabmagneten wirken lässt, sagte der Co-Autor der Studie, Yair Segev, ein Physiker an der University of California in Berkeley , sagte Live Science.
Im vereinfachten, klassischen Bild des Atoms umkreisen negativ geladene Elektronen einen positiv geladenen Atomkern. In dieser Ansicht sagte Segev, dass sich die Elektronen innerhalb des Wirbels schneller drehen würden als die Kerne, wenn sich die Atome als Ganzes drehen, und dass sie bei ihrer Drehung „verschiedene entgegengesetzte [elektrische] Ströme erzeugen“.
Dies könnte laut dem berühmten Gesetz der magnetischen Induktion wie sie von Michael Faraday beschrieben wurden, erzeugen alle möglichen neuen magnetischen Effekte, wie zum Beispiel magnetische Momente, die durch die Mitte des Strahls und aus den Atomen selbst heraus zeigen, sowie weitere Effekte, die sie nicht vorhersagen können.
Den Strahl erzeugten die Forscher durch Senden Helium Atome durch ein Gitter aus winzigen Schlitzen mit einem Durchmesser von jeweils nur 600 Nanometern.
Im Bereich von Quantenmechanik – das Regelwerk, das die Welt der ganz Kleinen regiert – Atome können sich sowohl wie Teilchen als auch wie winzige Wellen verhalten; Dabei beugte sich der Strahl aus wellenförmigen Heliumatomen durch das Gitter und krümmte sich so stark, dass sie als Wirbel entstanden, der sich spiralförmig durch den Raum bewegte.
Die wirbelnden Atome erreichten dann einen Detektor, der mehrere Strahlen – unterschiedlich stark gebeugt, um unterschiedliche Drehimpulse zu haben – als kleine, donutartige Ringe auf dem Detektor anzeigte.
Die Wissenschaftler entdeckten auch noch kleinere, hellere Donut-Ringe, die in den zentralen drei Wirbeln eingeklemmt waren. Dies sind die verräterischen Anzeichen von Helium-Excimeren – einem Molekül, das entsteht, wenn ein energetisch angeregtes Heliumatom an einem anderen Heliumatom haftet. (Normalerweise ist Helium ein Edelgas und bindet sich an nichts.)
Der Bahndrehimpuls, der den Atomen innerhalb des spiralförmigen Strahls verliehen wird, verändert auch die quantenmechanischen „Auswahlregeln“, die bestimmen, wie die wirbelnden Atome mit anderen Teilchen interagieren, sagte Segev. Als nächstes werden die Forscher ihre Heliumstrahlen in Photonen, Elektronen und Atome anderer Elemente als Helium zerschlagen, um zu sehen, wie sie sich verhalten könnten.
Wenn sich ihr rotierender Strahl tatsächlich anders verhält, könnte er ein idealer Kandidat für einen neuen Mikroskoptyp werden, der in unentdeckte Details auf subatomarer Ebene blicken kann. Laut Segev könnte der Strahl uns mehr Informationen über einige Oberflächen liefern, indem er das Bild verändert, das den von ihm reflektierten Strahlatomen aufgeprägt wird.
„Ich denke, dass es, wie so oft in der Wissenschaft, nicht ein Leistungssprung ist, der zu etwas Neuem führt, sondern vielmehr ein Perspektivenwechsel“, sagte Segev.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 3. September in der Zeitschrift Wissenschaft .
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