atomi

Chalmersin teknillisessä korkeakoulussa on onnistuttu pidentämään atomin elinaikaa kymmenkertaiseksi normaaliin verrattuna. Siihen tarvitaan vain peili.

Jos atomi saa ylimääräistä energiaa, se virittyy. Ennen pitkää viritystila purkautuu, jolloin atomi menettää saamansa energian ja palaa alkuperäiseen perustilaansa. Tähän kuluvaa aikaa sanotaan atomin elinajaksi.

Tosin peili ei ole mikään aluminoitu lasinpalanen eikä atomikaan ole todellinen. Ja vaadittava lämpötila on hyvin alhainen: 30 mK eli kolme sadasosa-astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Tutkijat jäljittelivät atomia suprajohtavalla virtapiirillä, joka saatiin käyttäytymään samalla tavalla kuin aito atomi. Keinoatomi voidaan virittää energialla, jonka se sitten säteilee valona. Tai jos tarkkoja ollaan, säteilyn aallonpituus on paljon näkyvää valoa pidempi: atomi säteilee mikroaaltoja.

"Peilinä" toimi toisessa virtapiirissä oleva oikosulku. Keinoatomin etäisyyttä ei muutettu fyysisesti, vaan säätämällä "atomin" resonanssitaajuutta. Koe oli siis kaikilta osiltaan käytännössä simulaatio, mutta ominaisuuksiltaan tilanne vastasi tilannetta, jossa atomin elinaikaa pystytään muuttamaan hallitusti.

“Olemme osoittaneet, että pystymme säätelemään atomin elinaikaa hyvin yksinkertaisella tavalla”, sanoo tutkimusta johtanut Per Delsing. 

"Voimme säädellä atomin elinaikaa muuttamalla sen etäisyyttä peilistä. Jos sijoitamme atomin tietylle etäisyydelle peilistä, atomin elinaika muuttuu siten, että emme pysty edes havaitsemaan sitä. Käytännössä voimme piilottaa atomin peilin eteen."

Koejärjestely toteutettiin Chalmersin kokeellisten ja teoreettisten fyysikoiden yhteistyönä. Jälkimmäiset kehittivät teorian siitä, miten atomin elinaika riippuu sen etäisyydestä peiliin.

"Syynä atomin 'kuolemaan' eli paluuseen perustilaansa on, että se 'näkee' sähkömagneettisessa kentässä hyvin vähäisiä vaihteluita, tyhjiön fluktuaatioita, jotka ovat kvanttiteorian sanelemia", toteaa Göran Johansson, tutkimuksen teoriapuolta selvittäneen ryhmän vetäjä.

Kun atomi sijoitetaan peilin eteen, se vuorovaikuttaa peilikuvansa kanssa siten, että atomiin kohdistuvat tyhjiön kvanttifluktuaatiot muuttuvat. Atomin elinajan tarkastelun ohella koejärjestely soveltuukin myös hankalasti mitattavien fluktuaatioiden tarkasteluun.

Tutkimuksesta kerrottiin Chalmersin teknillisen korkeakoulun uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Moa Carlsson & Lisa Kinnerud, Krantz NanoArt

Hiukkasfysiikan huikeasta kehityksestä huolimatta atomiytimen tarkka rakenne on edelleen osin arvoitus: mitä aineen perusosasen sisällä oikein tapahtuu?

Tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan laskea suurella tarkkuudella ytimen muodostavien hiukkasten välillä vallitsevat voimat.

Periaatteessa atomiydin on yksinkertainen olio. Se koostuu protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan rakentuvat kvarkeista ja gluoneista. Niiden välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaava teoria on kehitetty jo aikaa sitten, mutta se on liian mutkikas, jotta sen avulla pystyttäisiin kuvailemaan koko ytimen ominaisuuksia.

Siksi on tyydyttävä tarkastelemaan protonien ja neutronien välisiä voimia menemättä syvemmälle niiden sisuksiin. Sekin vaatii kuitenkin näiden voimien täsmällistä tuntemusta.

Protonin ja neutronin välisen vuorovaikutuksen ominaisuudet on selvitetty kokeellisesti, mutta se ei riitä. Ne on osattava selittää myös teoreettisesti. Jevgeni Epelbaumin johtama tutkijaryhmä on onnistunut muotoilemaan menetelmän, jolla se onnistuu.

"Tutkimuksessa teimme tarkkoja laskelmia protonien ja neutronien välisistä voimista käyttämällä uutta lähestymistapaa, joka tunnetaan tehollisena kenttäteoriana. Kun se yhdistettiin aiemmin kehittämäämme uuteen tapaan analysoida teoreettisia epävarmuuksia, pystyimme kuvailemaan yksinkertaisimman ytimen, toistensa kanssa vuorovaikuttavien protonin ja neutronin, ominaisuudet", Epelbaum kertoo.

Jatkossa uutta menetelmää on tarkoitus kehittää niin, että sitä voidaan soveltaa myös mutkikkaampiin ytimiin, seuraavaksi protonin ja kahden neutronin yhdistelmään. Kolmen hiukkasen väliset voimat tunnetaan toistaiseksi huonosti, joten ne ovat tällä hetkellä teoreettisen ydinfysiikan keskeinen tutkimuskohde.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedesivustolla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Kielpinski Group/Griffith University

Kun Wilhelm Röntgen 120 vuotta sitten löysi röntgensäteilyn, hän tuskin osasi kuvitellakaan, kuinka merkittävän keksinnön tuli tehneeksi. Puhumattakaan lordi Kelvinistä, jonka mukaan "Röntgensäteily tulee osoittautumaan huijaukseksi". Voiko enää enempää olla väärässä?

Nyt röntgensäteilyn avulla on jälleen tehty tieteenhistoriaa. 

Kun kaksi fotonia törmää samanaikaisesti yksittäiseen atomiin, tuloksena on yksi fotoni, jolla on suurempi energia. Ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran näkyvällä valolla jo 1960-luvulla, mutta röntgensäteilyn alueella se ei ole onnistunut, koska käytettävissä ei ole ollut riittävän tehokasta röntgensäteilyn lähdettä. Nyt on.

Kokeessa käytettiin Kaliforniassa sijaitsevan Kansallisen kiihdytinlaboratorion röntgenlaseria. Aparaatilla on pituutta toista kilometriä, joten niitä ei maailmasta edelleenkään löydy montaa: toinen on Japanissa.

Röntgenlaserin säteily keskitettiin ainoastaan sadan nanometrin läpimittaiseksi pisteeksi. Säteilyteho oli hiuksen läpimittaa vastaavalla alueella hetkellisesti yhtä suuri kuin maapallon valaistulle puoliskolle lankeavan auringonvalon energia. 

Huipputeho oli tarpeen, jotta kaksi fotonia saatiin törmäämään täsmälleen oikeaan aikaan yhteen aineen atomeista. "Silti tapahtuman todennäköisyys oli pienempi kuin jättipotin voittaminen lotossa", arvioi tutkimusryhmää johtanut Matthias Fuchs.

Odotettu ilmiö tuotti kuitenkin odottamattoman tuloksen. Törmäyksen seurauksena syntyneen fotonin energia ei ollut läheskään niin suuri kuin oli laskettu. Näyttääkin siltä, että tällaisen törmäyksen fysiikkaa ei vielä tunneta kunnolla. 

"Nyt tehty koe oli vasta alkua", toteaa Fuchs. "Jos uudet käsityksemme tästä perusilmiöstä varmistuvat tulevissa testeissä, niillä voi olla merkittävä vaikutus suurilla röntgentehoilla tehtäviin kokeisiin ja ne saattavat johtaa uudenlaisiin aineen tutkimusmenetelmiin."

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedesivustolla ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Wilhelm Röntgen

Vielä 1940-luvulla oletettiin, että uraani olisi alkuaineista raskain, eli järjestysluku 92 olisi suurin, mitä millään alkuaineella voisi olla. Pian kävi ilmi, että näin ei ollut, vaan uusia, raskaampiakin alkuaineita löytyi: näitä ns. transuraanisia alkuaineita tosin ei esiinny luontaisesti, vaan niitä pitää erityisesti valmistaa erilaisilla ydinreaktoreilla ja ydinfysikaalisilla järjestelyillä. Tunnetuin näistä uusista, keinotekoisista alkuaineista on plutonium, jota tosin on löydetty sittemmin myös luonnosta – siis siten, että sitä on siellä luonnollisesti, ei ihmisen toiminnasta sinne päässeenä. Toinen "luonnolliseksi" sittemmin paljastunut hyvin raskas alkuaine on neptunium. Sen sijaan muita transuraanisia alkuaineita ei ole olemassa kuin ihmisen tekeminä, ja osa niistä on olemassa vain hyvin lyhyen aikaa. Amerikium, curium, berkelium, kalifornium, einsteinium, fermium, mendelevium, nobelium ja lawrencium on löydetty Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa Kaliforniassa ja Venäjän yhteisessä atomitutkimuskeskuksessa Dubnassa, Venäjällä, ja niiden päälle huippuina ovat superraskaat bohrium, hassium, meitnerium, darmstadtium, röntgenium ja kopernikium on todistettu Darmstatissa sijaitsevassa GSI Helmholtzin raskaita ioneita tutkivassa laboratoriossa. Viimeisin listalle lisätty alkuaine oli ununtrium (no 113), joka varmistettiin viime vuonna, ja nyt mukaan tulee numero 115: ununpentium. Ununpentium löydettiin alun perin ununtriumin kanssa vuonna 2004, kun venäläiset atomitutkijat onnistuivat rakentamaan ne 1. helmikuuta 2004. Silloin sille annettiin väliaikainen nimi ja se hyväksyttiin alustavasti mukaan listalle, kunnes jokin tutkimusryhmä onnistuisi varmistamaan havainnon. Tämä on tapahtunut nyt. kun ruotsalaisen Lundin yliopiston fyysikoiden johtama kansainvälinen tutkimusryhmä onnistui luomaan uudelleen ununpentiumia Darmstadtissa GSI Helmholtzin laitteistoilla. Tutkijat pommittivat hyvin ohutta amerikium-kalvoa kalsiumioneilla, jolloin tuloksena oli uuden alkuaikeen alfahajoamistuotteen ohessa syntyneitä fotoneita, eli sähkömagneettisen säteilyn hiukkasia. Tietyt, röntgensäteilyn alueella olleet fotonit kertoivat selvää kieltä siitä, että ununpentium oli mukana kuviossa. Toisiaan raskaampien alkuaineiden tekeminen ei ole vain alkuneiden luomista niiden luomisen ilosta, vaan luonnollisesti ne opettavat paljon atomien olemuksesta ja siitä, miten superraskaat alkuaineet, niiden ytimet sekä elektronikuoret oikein toimivat. Niiden tekeminen sekä havaitseminen ovat sinälläänkin myös atomien hallitsemisen sekä manipuloinnin tietotaitoa kehittävää toimintaa. Ununpentium on ollut väliaikainen nimi, ja nyt tutkijoiden (sekä nimen lopulta hyväksyvän kansainvälisen fyysikkokomitean) ongelmana on löytää 115:lle lopullinen nimi. Sitä odotellessa tutkijat sekä asiasta kiinnostuneet voivat lukea lisätietoja uudesta kemiallisesta alkuaineesta numero 115 The Physical Review Letters -julkaisun tänään, 27. elokuuta ilmestyneestä numerosta.

Tässä on varmasti maailman pienin animaatiofilmi, koska se on tehty yksittäisiä atomeja liikuttamalla.

Animaatio nimeltä "A Boy and His Atom", Poika ja hänen atominsa on tehty IBM-yhtiössä puolileikillään ja puoliksi tekniikan demoamiseksi käyttämällä hyväksi tuhansia tarkalleen oikeille kohdilleen asetettuja atomeja, joiden sijaintia postimerkin kokoisen kuparilevyn päällä pystyttiin muuttamaan tunnelointimikroskoopilla. Videossa on 250 kuvaa, jotka muodostavat yhdessä tarinan pojasta, joka ystävystyy ja leikkii atomin kanssa.

Videon taustalla on IBM:n Almadenin tutkimuslaboratoriossa, Kalifornian San Josessa, tehty tutkimustyö, jonka tuloksena kehitettiin tapa siirtää atomeja erittäin ohuen neulan avulla juuri haluttuihin paikkoihin. Tämän "skannaavaksi tunnelointimikroskoopiksi" kutsutun laitteen massa on pari tonnia ja sen kohteena olevat atomit jäähdytetään 268 asteen pakkaseen. Sen kehittäminen toi Gerd Binnigille ja Heinrich Rohrerille fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1986.

Jos laitteen kehittämiseen meni vuosia, kävi animaation tekeminen pikaisemmin: nelihenkinen ryhmä vietti sen parissa kaksi viikkoa ja kuuleman mukaan monet työpäivistä venyivät aamuvarhaisesta yöhön.

Koko video on alla; lisätietoja videon tekemisestä on toisessa IBM:n tänään julkistamassa videossa.