Enerji Işını Konsepti

Sanatçının bir girdap ışını oluşturması.

Weizmann Bilim Enstitüsü araştırmacıları ilk kez atom ve moleküllerden oluşan bir girdap ışını üretiyor.

Girdaplar, girdaplar ve kasırgaların – dönen su ve hava kütlelerinin – zihinsel bir görüntüsünü çağrıştırabilir, ancak çok daha küçük ölçeklerde de var olabilirler. Yayınlanan yeni bir çalışmada Bilim, Weizmann Bilim Enstitüsü’nden araştırmacılar, Technion – İsrail Teknoloji Enstitüsü ve Tel Aviv Üniversitesi’nden işbirlikçilerle birlikte, ilk kez tek bir girdaptan oluşan girdaplar yarattılar. atom. Bu girdaplar, atom altı dünyanın iç işleyişiyle ilgili temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir ve çeşitli teknolojileri geliştirmek için kullanılabilir – örneğin, atomik mikroskoplar için yeni yetenekler sağlayarak.

Bilim adamları uzun zamandır laboratuvarda çeşitli türlerde nano ölçekli girdaplar üretmeye çalışıyorlar ve son zamanlarda iç kuantum yapılarının bile döndürülebileceği girdap kirişleri – eğirme özelliklerine sahip parçacık akışları – yaratmaya odaklandılar. Temel parçacıklardan, elektronlardan ve fotonlardan oluşan girdaplar geçmişte deneysel olarak yaratılmıştı, ancak şimdiye kadar atomların girdap ışınları sadece bir düşünce deneyi olarak var oldu. Dr. Yair Segev, Prof. Weizmann’ın Kimyasal ve Biyolojik Fizik Bölümünden Edvardas Narevicius.

Alon Luski, Prof. Edvardas Narevicius ve Dr. Yair Segev

(lr) Alon Luski, Prof. Edvardas Narevicius ve Dr. Yair Segev. Kredi: Weizmann Bilim Enstitüsü

Klasik fizikte, dönen nesneler genellikle açısal momentum olarak bilinen bir özellik ile karakterize edilir. Doğrusal momentuma benzer şekilde, hareket halindeki bir nesneyi izlerinde durdurmak veya daha doğrusu dönmesini durdurmak için gereken çabayı tanımlar. Akının bir eksen etrafında dolaşımı ile karakterize edilen girdaplar, bu özelliği amansız dönüşlerinde mükemmel bir şekilde somutlaştırır.

Bununla birlikte, hem büyük hem de küçük doğal olarak oluşan girdapları karakterize eden açısal momentumun çok temel özelliği, kuantum ölçeğinde farklı bir bükülme alır. Klasik fizik eşdeğerlerinin aksine, kuantum parçacıkları herhangi bir açısal momentum değeri alamazlar; bunun yerine, yalnızca ayrı kısımlarda veya “kuanta”da değerler alabilirler. Diğer bir fark, bir girdap parçacığının açısal momentumunu – katı, dönen bir pervane olarak değil, kendi hareket ekseni etrafında akan ve kıvrılan bir dalga olarak taşıma şeklidir.

Vortex Nanometrik Çay Fincanı

(Solda) Süpersonik helyum ışınını helyum atomlarının girdaplarına dönüştürmek için kullanılan, ileten (siyah) ve bloke eden (beyaz) alanlara sahip bir nano-ızgara tasarımına bir örnek. (Sağ) Dört buçuk metre uzunluğundaki deney düzeneğinin sonunda kamera tarafından yakalanan tüm çarpışma olaylarının oluşturulmuş görüntüsü. “Çörek” şekilleri, atomların ızgarayı geçtikten sonra bir girdap olarak dönecek şekilde şekillendirildiğinin kanıtıdır. Kredi: Weizmann Bilim Enstitüsü

Bu dalgalar, dalgakıranların deniz suyunun akışını kıyıya yakın bir yere yönlendirmek için kullanılmasına benzer şekilde, ancak çok daha küçük bir ölçekte şekillendirilebilir ve manipüle edilebilir. Narevicius’un grubundaki bir doktora öğrencisi olan Alon Luski, “Bir atomun yoluna fiziksel engeller koyarak, onun dalgasının şeklini çeşitli biçimlere dönüştürebiliriz” diyor. Gruplarından Rea David ile birlikte araştırmayı yöneten Luski ve Segev, atomların hareketini yönlendirmek için yenilikçi bir yaklaşım geliştirmek için Tel Aviv Üniversitesi’nden meslektaşlarıyla işbirliği yaptı. Izgaralar adı verilen nanometrik “dalgakıran” desenleri yarattılar – belirli yarık desenleri olan birkaç yüz nanometre çapında küçük seramik diskler. Yarıklar çatal şeklinde düzenlendiğinde, içlerinden geçen her atom fiziksel bir engelden geçen bir dalga gibi davranır, bu şekilde açısal momentum kazanır ve dönen bir girdap olarak ortaya çıkar. Bu “nano çatallar”, her ikisi de Weizmann’ın Kimyasal Araştırma Destek Departmanından Dr. Ora Bitton ve Hila Nadler tarafından bu deney için özel olarak geliştirilen bir nano-fabrikasyon süreciyle üretildi.

Atomik girdapları oluşturmak ve gözlemlemek için araştırmacılar, bu çatallı ızgaralarda süpersonik bir helyum atomu demeti hedefliyorlar. Izgaralara ulaşmadan önce, ışın, bazı atomları bloke eden ve yalnızca daha büyük dalgalar gibi davranan atomları ileterek, ızgaralar tarafından şekillendirilmeye daha uygun olan bir dar yarık sisteminden geçer. Bu “dalgalı” atomlar “çatallar” ile etkileşime girdiğinde girdaplara dönüşürler ve yoğunlukları bir dedektör tarafından kaydedilir ve fotoğraflanır.

Fırtınanın “gözü” gibi, bu “donutların” merkezi, her bir atomik girdabın en sakin olduğu alanı temsil eder – oradaki dalgaların yoğunluğu sıfırdır, dolayısıyla orada atom bulunmaz.

Bu, dedektörle çarpışan milyonlarca girdaplı helyum atomundan oluşturulan halka şeklinde bir görüntü ile sonuçlanır. Segev, “Çörek şeklindeki görüntüyü gördüğümüzde, bu helyum atomlarından girdaplar oluşturmayı başardığımızı biliyorduk” diyor. Fırtınanın “gözü” gibi, bu “donutların” merkezi, her bir atomik girdabın en sakin olduğu alanı temsil eder – oradaki dalgaların yoğunluğu sıfırdır, dolayısıyla orada atom bulunmaz. Narevicius, “’Çörekler’ bir dizi farklı girdap ışınının parmak izidir” diye açıklıyor.

Deneyler sırasında araştırmacılar tuhaf bir gözlem yaptı. Segev, “Mükemmel şekilli donutların yanında iki küçük ‘gürültü’ noktası olduğunu gördük” diyor. “İlk başta bunun bir donanım arızası olduğunu düşündük, ancak kapsamlı bir araştırmadan sonra, baktığımız şeyin aslında her biri iki helyum atomundan oluşan ve ışınlarımızda bir araya gelen olağandışı moleküller olduğunu fark ettik.” Başka bir deyişle, sadece atomlardan değil, moleküllerden de girdaplar oluşturmuşlardı.

Helyum Atomlarının Süpersonik Işını

Dört buçuk metre uzunluğundaki deney düzeneği, daha sonra dedektör tarafından yakalanan ve fotoğraflanan atomik girdap ışınları üreten nanometrik çatallı ızgaraları hedefleyen süpersonik helyum atomları ışını ile başlar. Kredi: Weizmann Bilim Enstitüsü

Araştırmacılar deneylerinde helyum kullansalar da, deney düzeneği diğer elementler ve moleküllerin çalışmalarını barındırabilir. Ayrıca, yalnızca bir atom dönerken ortaya çıkarılabilen protonların veya nötronların yük dağılımı gibi gizli atom altı özelliklerini incelemek için de kullanılabilir. Luski mekanik bir saat örneğini verir: “Mekanik saatler, atomun iç yapısına benzer şekilde, her biri belirli bir frekansta hareket eden küçük dişliler ve çarklardan yapılmıştır. Şimdi o saati alıp döndürdüğünü hayal edin – bu hareket dişlilerin iç frekansını değiştirebilir ve iç yapı girdabın özelliklerinde de ifade edilebilir.”

Deneydeki helyum atomlarının her biri, orijinal boyutundan 10.000 kat daha büyük, 1 mikron çapında bir girdap dalgası şeklinde şekillendirildi.

Atomik girdap ışınları, maddenin çok temel özelliklerini incelemek için yeni bir yol sunmanın yanı sıra, atomik mikroskopi gibi çeşitli teknolojik uygulamalarda kullanım bulabilir. Dönen atomlar ve araştırılan herhangi bir malzeme arasındaki etkileşim, bu malzemenin yeni özelliklerinin keşfedilmesine yol açabilir ve gelecekteki birçok deneye önemli, önceden erişilemeyen veriler ekleyebilir.

Referans: Alon Luski, Yair Segev, Rea David, Ora Bitton, Hila Nadler, A. Ronny Barnea, Alexey Gorlach, Ori Cheshnovsky, Ido Kaminer ve Edvardas Narevicius, “Vortex beams of atoms andmoles”, 1 Eylül 2021, Bilim.
DOI: 10.1126/science.abj2451





#Araştırmacılar #Atom #Moleküllerden #Bir #Girdap #Işını #Üretiyor