Впервые команда исследователей под руководством Маркуса Коха из Института экспериментальной физики Технологического университета Граца смогла в реальном времени проследить, как отдельные атомы объединяются в кластер и какие процессы при этом происходят.

Ученые изолировали атомы магния в сверхтекучем гелии, а затем лазерным импульсом запустили процесс их соединения.

Сверхтекучий гелий — это жидкий гелий, охлажденный почти до абсолютного нуля (–273 °C). В таком состоянии он течет без трения, проникает через микроскопические трещины и может удерживать атомы в «подвешенном» состоянии, не давая им взаимодействовать.

Благодаря фемтосекундному разрешению (1 фемтосекунда — это квадриллионная доля секунды) удалось зафиксировать не только формирование кластера, но и передачу энергии между атомами.

Результаты опубликованы в издании Communications Chemistry.

Как заморозить атомы, чтобы разглядеть слияние

Обычно атомы магния мгновенно образуют прочные связи, и отследить начальные этапы этого процесса невозможно.

Проблему решили с помощью сверхтекучего гелия — его капли работают как нанохолодильники, охлаждая атомы до 0,4 Кельвина (–272,75 °C) и удерживая их на микроскопическом расстоянии друг от друга.

Так мы смогли контролируемо запустить сборку кластера и детально изучить ее, — поясняет Михаэль Штадльхофер, проводивший эксперименты.

Энергия собирается в одном атоме

С помощью фемтосекундной спектроскопии ученые выяснили: когда атомы магния соединяются, энергия лазерного импульса перераспределяется.

Несколько атомов передают ее одному — тот переходит в высокоэнергетическое состояние. Впервые этот процесс, называемый энергетическим пулингом, удалось наблюдать с временным разрешением.

Зачем это нужно

Метод изоляции атомов в гелии может стать универсальным инструментом для изучения химических реакций. А открытый механизм передачи энергии потенциально пригодится в фотовостановительной медицине или для улучшения солнечных батарей.

Практическое применение:

• Солнечная энергетика — если научиться управлять перераспределением энергии между атомами, можно повысить КПД фотоэлементов.
• Таргетная терапия рака — точечная доставка энергии лазера в опухоль без повреждения здоровых тканей.
• Квантовые вычисления — контроль над кластерами атомов может помочь в создании кубитов.

Однако эксперимент проводился в искусственных условиях (сверхнизкие температуры, гелиевая среда), что ограничивает его применимость к реальным химическим процессам. Неясно, будет ли энергетический пулинг работать, например, при комнатной температуре в растворах.

Ранее ученые впервые исследовали с помощью рентгена один атом.