Отдельный атом сняли на обычную камеру

Британский физик смог снять на обычную зеркальную камеру излучение иона стронция, зафиксированного в квадрупольной ионной ловушке. Эта фотография победила на конкурсе научной фотографии британского Совета по инженерным и физическим научным исследованиям.

Технология удержания отдельных заряженных ионов не нова и разные реализации удержания используются уже несколько десятилетий. В 1989 году Вольфгант Пауль и Ханс Демельт получили Нобелевскую премию по физике за разработку метода удержания отдельных ионов. Британский физик Дэвид Надлингер (David Nadlinger) из Оксфордского университета использовал для создания фотографии именно квадрупольную ионную ловушку, которую также называют ловушкой Пауля, в честь разработавшего ее немецкого физика. Она состоит из набора электродов, часть из которых создает постоянное электрическое поле. Другая часть постоянно меняет направление вектора напряженности поля на противоположное с высокой скоростью. Несмотря на то, что в каждый конкретный момент времени поле тянет частицу в определенную сторону, из-за постоянного изменения направленности эта сила усредняется и не дает заряженной частице вылететь из ловушки.

Поскольку из-за дифракционного предела увидеть отдельный атом в оптический микроскоп нельзя, ученому пришлось воспользоваться не отраженным светом, а собственным излучением атома. Для этого он использовал лазерное охлаждение, которое часто применяется для изучения поведения атомов при температурах, близких к абсолютному нулю. В процессе охлаждения частица облучается лазером со специально подобранной частотой. Фотон этого излучения поглощается атомом, который через небольшое время также излучает фотон, но с большей частотой. За счет этого излученный атомом фотон забирает часть его тепловой энергии движения. Если облучить атом не одним, а множеством импульсов, таким методом можно понизить его температуру до тысячных долей Кельвина.

Сама по себе эта техника не нова, и ее много раз использовали разные ученые, но обычно для регистрации используются специальные точные камеры. Британский физик показал, что для регистрации самого факта излучения атома вполне достаточно обычного фотоаппарата. Он использовал камеру Canon 5D Mk II с портретным объективом и двумя макрокольцами, уменьшающими минимальную дистанцию фокусировки. Во время съемки в ловушке находился положительно заряженный ион стронция, облучаемый фиолетовым светом.

Горизонтальные электроды установки удалены примерно на два миллиметра друг от друга. На фотографии вполне можно различить яркую точку между ними. Такая большая точка обусловлена низким (по сравнению с размером атома) разрешением камеры, ее удаленностью от рабочей зоны ловушки, остаточным колебательным движением атома, а также длинной выдержкой, на которой был сделан снимок.

В 2016 году итальянская компания превратила обычную зеркальную камеру в полноценный инструмент для любительской астрофотографии. Для этого за матрицей камеры установили холодильную установку, которая постоянно охлаждает матрицу и значительно снижает уровень теплового шума, мешающего различать объекты на фотографии.

Григорий Копиев