Er hægt að sjá eitt atóm eða eina rafeind?

Answer

Þessi spurning er í aðra röndina heimspekilegs eðlis; hún snýst að hluta um merkingu þess "að sjá". Auk þess koma hér við sögu mjög nýlegar framfarir í vísindum og tækni og sú þróun heldur stöðugt áfram. Þess vegna er viðbúið að svör sérfræðinga geti orðið mismunandi og einnig breytileg með tímanum.

Fyrri spurningunni, um að sjá einstök atóm, mundu þó flestir eðlisfræðingar svara játandi nú á dögum, meðal annars vegna svokallaðrar smugsjár (enska scanning tunnelling microscope, STM). Í henni getum við séð einstök atóm á svipaðan hátt og við sjáum einstakar þúfur þegar við horfum yfir þýft land. Helsti munurinn er sá að engar tvær þúfur eru eins en fjöldi atómtegunda er takmarkaður og öll atóm af sömu tegund eru nákvæmlega eins þannig að ekki er hægt að þekkja þau í sundur.

Við höfum áður sýnt smugsjármyndir af einstökum atómum og uppröðun þeirra í svari Viðars Guðmundssonar við spurningunni Hvað er nanótækni? Við leggjum til að lesandinn rifji þær upp áður en lengra er haldið og taki um leið eftir þessu sem hér var nefnt, að atóm sömu tegundar eru öll eins.

Þessar myndir eru ekki teknar í rauntíma sem kallað er, heldur tekur yfirleitt talsverðan tíma að "taka" hverja mynd. Við erum því engan veginn að sjá eða skynja hlutinn eins og hann er á sama tíma og skynjunin gerist. Myndatakan fer yfirleitt þannig fram að málmoddur færist fram og til baka við yfirborð sýnisins. Því er eins gott að atómin séu ekki á verulegri hreyfingu um langar leiðir þegar svona myndir eru teknar, og þetta er býsna ólíkt því að "sjá" frumur eða litninga undir smásjá. En merki um hreyfingu atóma er hins vegar hægt að sjá til dæmis í ljósmyndaplötum eða bóluhylkjum en þá skilja jónuð atóm eftir sig slóð þar sem þau fara um. Sömuleiðis er hægt nú á dögum að kvikmynda efnaferli með röntgengeislum, en í efnaferlum eru atóm að raða sér í sameindir upp á nýtt.

Ein nýjasta tækniframförin er sú að menn geta nú horft á einstök jónuð atóm í svokölluðum jónabúrum (ion traps, Paul traps). Þá er beitt rafsviði með hárri tíðni til að halda atómunum á sínum stað og síðan er beint að þeim leysiljósi með nákvæmlega viðeigandi tíðni. Þó að ljósið sem kemur frá hverju atómi verði mjög veikt hefur tekist að gera það sýnilegt. Dæmi um þetta má sjá hér á vefsíðu hjá Rannsóknastofunni í tilraunaeðlisfræði við Háskólann í Innsbruck í Austurríki (takið eftir myndum og öðrum skýringum bak við tengla frá forsíðunni).




Rafeindir skilja einnig eftir sig slóð við tilteknar aðstæður þegar þær fara um efni. Þar er til dæmis hægt að sjá ummerki þess að rafeind hafi verið að rekast á atóm. Hins vegar er ekki hægt að sjá einstakar rafeindir í rauntíma eins og þegar við horfum á flugu hreyfast inni í tilteknu hylki. Við getum reynt að láta einstakar ljóseindir rekast á rafeind og endurkastast frá henni en með slíkum tilburðum fáum við bæði takmarkaðar upplýsingar um rafeindina og truflum hana auk þess verulega.

Spurningin um rafeindina er því enn snúnari en hin og hætt við að margir muni segja að möguleikar okkar á að skynja einstakar rafeindir séu býsna fjarri því sem okkur er tamt að fella undir sögnina "að sjá".




Mynd af jónabúri: Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Quantum Optics and Spectroscopy
Mynd af jónuðum atómum: Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Quantum Optics and Spectroscopy