Schauen Sie genau hin und Sie werden es sehen: ein blasses, violettes Pixel, das in einem schwarzen Feld zwischen zwei zylindrischen Nadeln hängt.Was wie ein schimmernder Staubfleck aussieht, ist eigentlich etwas viel, viel Kleineres: ein einzelnes Strontiumatom, isoliert in einer Ionenfangmaschine an der Universität Oxford.
Das ist klein. Wirklich klein. Jedes Atom ist ungefähr 0,25 Nanometer (oder Milliardstel Meter) breit; Milliarden der Atome würden bequem in eine einzelne rote Blutkörperchen passen.,
Wie fängt man ein Foto von etwas ein, das scheinbar unendlich klein ist? Ein Fotograf, David Nadlinger, verwendet eine Standard – Digitalkamera — aber er hatte einige Hilfe bei der Einrichtung der Aufnahme mit freundlicher Genehmigung von Oxford Ion Trap Quantum Computing Lab, wo er forscht für seinen Ph. D. Am Feb. 12, Nadlinger gewann den ersten Platz in einem nationalen Wettbewerb für Wissenschaftsfotografie, der vom Engineering and Physical Sciences Research Council organisiert wurde, um dieses seltene Foto eines einzelnen beleuchteten Atoms aufzunehmen.,
„Ich denke, was dieses Bild für Menschen besonders interessant macht, ist, dass man den umgebenden Apparat sehen kann“, sagte Nadlinger zu Live Science. „Und ich denke, die Leute sind auch überrascht, wie groß das Atom hier aussieht. … Ich hoffe, dass ich mit diesem Foto nicht 100 Jahre naturwissenschaftliche Ausbildung zunichte mache-Atome sind tatsächlich unglaublich klein!“
Um klar zu sein, sagte Nadlinger, der violette Fleck in der Mitte dieses Fotos ist nicht die wahre Größe des Strontiumatoms selbst; es ist das Licht aus einer Reihe von umgebenden Lasern, die vom Atom wieder emittiert werden., Wenn Strontium in einer bestimmten Wellenlänge von blauem Licht gebadet wird, erzeugt es ein Leuchten, das hunderte Male breiter ist als der Radius des Atoms selbst (was etwa einem Viertel Nanometer oder 2, 5×10 bis zu den -7 Metern entspricht, sagte Nadlinger). Dieses Leuchten wäre mit bloßem Auge kaum wahrnehmbar, wird aber mit ein wenig Kameramanipulation sichtbar.
„Die scheinbare Größe, die Sie auf dem Bild sehen, ist das, was wir optische Aberration nennen würden“, sagte Nadlinger. „Das Objektiv, durch das wir es sehen, ist nicht perfekt — es ist auch etwas unscharf und leicht überbelichtet. Man könnte es damit vergleichen, die Sterne am Nachthimmel zu betrachten, die hell erscheinen, aber tatsächlich viel, viel kleiner sind als die Größe, die sie zu sein scheinen, nur weil unsere Augen (oder die Kamera) nicht genug Auflösung haben, um sie zu verarbeiten.,“
Es ist also unmöglich, ein einzelnes Atom mit bloßem Auge zu sehen. Einen in einem Labor einzufangen, ist jedoch etwas machbarer.
Um ein Ion am Zeh zu fangen
Um ein einzelnes Atom kamerafertig zu machen, müssen Forscher es zuerst in ein Ion verwandeln: ein Atom mit einer ungleichen Anzahl von Protonen und Elektronen, die ihm eine positive oder negative Nettoladung geben. „Wir können immer nur geladene Teilchen fangen“, sagte Nadlinger. „Also nehmen wir einen Strom neutraler Strontiumatome, die aus einem Ofen kommen, und strahlen Laser auf sie, um sie selektiv zu fotografieren., Auf diese Weise können wir einzelne Ionen erzeugen.“
In einem Ionenfangapparat werden einzelne Atome durch vier klingenförmige Elektroden an Ort und Stelle gehalten, wie sie oben und unter dem Strontiumfleck auf Nadlingers Foto zu sehen sind (zwei zusätzliche Elektroden sind nicht sichtbar). Diese Elektroden erzeugen einen Strom, der das Atom auf der vertikalen Achse fixiert hält; Die beiden nadelförmigen Zylinder auf beiden Seiten des Atoms halten es horizontal gefangen.
Wenn die Ströme dieser Elektroden interagieren, erzeugen sie ein sogenanntes rotierendes Sattelpotential., „Sie können Videos online sehen, in denen Menschen buchstäblich einen Sattel nehmen und drehen und einen Ball darauf legen; Aufgrund der Rotation bleibt der Ball tatsächlich in der Mitte des Sattels. Das ist es also, was diese Elektroden tun, um das Ion zu begrenzen“, sagte Nadlinger.
Sobald ein Atom begrenzt ist, trifft eine Reihe von Lasern auf das Atom, das Licht in alle Richtungen streut; Auf Nadlingers Foto sehen Sie Spuren des blauen Lasers im Hintergrund., Mit diesem System können Forscher möglicherweise Hunderte von Ionen zwischen den kleinen Elektroden einfangen, was zu atemberaubenden Bildern führt.
„Auf unserer Website haben wir ein Bild von neun Ionen, die in einer Schnur gefangen sind“, sagte Nadlinger. „In Bezug auf die Wissenschaft ist das tatsächlich interessanter als ein einzelnes helles Pixel, das von der Ionenfalle umgeben ist. Aber um das Konzept zu veranschaulichen, könnte dies attraktiver sein.“
Nadlinger glaubt nicht, dass er der erste Forscher ist, der ein solches Foto macht, aber er ist vielleicht der erfolgreichste, der die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit auf sich zieht.,
“ Eine Gruppe unter der Leitung von Hans Dehmelt, einem Pionier des Ionenfangs und Nobelpreisträger , machte einmal ein Bild von einem einzelnen Bariumatom in ihrem Labor“, sagte Nadlinger. „Es war ein einziger heller Fleck auf dunklem Hintergrund, abgesehen von einigen Laserstreuungen. Es gibt diese Geschichte, dass sie dieses Bild zu einigen Konferenzprotokollen eingereicht haben — und der Bildeditor hat gerade das Bild gestempelt, weil er dachte, es sei ein Staubfleck.“
Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.
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