Это казалось неосуществимым: физики впервые зафиксировали волновую природу атомов (фото).

Впервые в истории физики был проведен классический квантовый эксперимент, который демонстрирует, что частицы способны вести себя как волны, используя целые атомы. Это ранее считалось невозможным. Новое открытие, подтверждающее волновую природу атомов, откроет возможности для создания атомных детекторов гравитационных волн, которые будут более чувствительными, чем существующие технологии. Это позволит обнаружить больше пульсаций в пространстве-времени, которые до сих пор остаются загадкой. Исследование было опубликовано на сервере препринтов arXiv, сообщает New Scientist.

В конце 1920-х годов физик Джордж Паджет Томсон доказал, что электроны, проходя через кристалл, подвергаются дифракции (то есть происходит огибание волн препятствий), создавая характерную дифракционную картину. Она возникает, когда волна проходит через узкое отверстие, изгибая свой путь и выходя наружу. Характерная дифракционная картина была получена при прохождении через промежутки в кристаллической решетке.

Благодаря этому эксперименту Томсон, позже удостоенный Нобелевской премии по физике, подтвердил, что частицы могут вести себя как волны. Спустя несколько лет физики наблюдали аналогичную дифракционную картину для целых атомов, но в этом случае она включала отражение атомов от поверхности.

Дифракция атомов через кристаллическую решетку обещала создать гораздо более крупные и чувствительные дифракционные картины, но считалось, что это невозможно. Необходимы атомы с очень высокой энергией, которые могли бы повредить кристаллическую решетку, что сделало бы невозможным возникновение дифракции волн. Однако физики впервые дифрагировали атомы гелия и водорода через кристаллическую решетку в форме листа графена, состоящего из одного слоя атомов углерода.

Сначала ученые придавали атомам высокую скорость и энергию. Ранее было установлено, что водород и гелий при комнатной температуре не могут проходить через графен. Затем физики направили поток высокоэнергетических атомов на лист графена, который, как ожидалось, должен был быть поврежден.

Тем не менее, длительная бомбардировка потоком атомов гелия и водорода не привела к повреждению листа графена. Вместо этого физики наблюдали характерные круговые дифракционные картины, возникшие в результате дифракции волн.

По словам физиков, высокая энергия атомов позволяет им проходить через промежутки в структуре графена, поскольку они могут обмениваться энергией с атомами графена незаметным образом. Если бы такой обмен энергии был зафиксирован, то волновая природа атомов была бы нарушена, согласно законам квантовой механики, и дифракционная картина исчезла бы.

Ученые представляют этот процесс как комнату с множеством дверей, которые обычно закрыты, но при повышенных энергиях становятся открытыми.

Физики полагают, что данный эффект можно использовать для создания атомного интерферометра, который будет значительно чувствительнее существующих технологий, способных обнаруживать гравитационные волны, пронизывающие всю Вселенную.