Почти двести лет назад шотландский врач и исследователь Роберт Браун заметил, что частицы пыльцы дрожат, когда проходят через жидкость. Крошечные частицы, такие как молекулы или атомы, демонстрируют аналогичное поведение при диспергировании в газах и жидкостях. В результате огромного количества случайных столкновений частицы демонстрируют зигзагообразный узор движений, в результате чего различные вещества смешиваются. Ученые называют эти зигзагообразные движения «броуновским движением», а дисперсию и смешивание различных веществ — диффузией.
«Диффузия является ключевым явлением во многих областях науки и составляет основу многих транспортных процессов, например, в живых клетках или устройствах хранения энергии», — говорит профессор Артур Видера, который занимается исследованиями квантовой физики отдельных атомов и ультрахолодных квантовых газов. в ТУ Кайзерслаутерн. "Вот почему важно понимать процессы распространения почти во всех областях наук о жизни, естественных наук и технологического развития."
Легкое и упрощенное понимание диффузии можно получить, не обращая внимания на отдельные столкновения между частицами. «В этом контексте мы также говорим о сплошной среде, в которой, например, диффундирует более крупная частица. Это упрощение становится тем более точным, поскольку масса частиц в среде становится меньше, а частота столкновений становится выше ", — говорит доктор.
Майкл Хохманн, исследователь в группе профессора Видеры и первый автор этого исследования. Один из повседневных примеров — туман, который также можно рассматривать как среду такого рода, хотя на самом деле он состоит из крошечных отдельных капель воды.
В своих экспериментах физики, работавшие под руководством Видеры, изменили условия, характеризующие сплошную среду: «Вместо крупных частиц, таких как пыльца, мы изучали диффузию отдельных атомов, которые имеют почти такую же массу, как атомы газа. Кроме того, мы использовали очень холодный разбавленный газ, чтобы резко снизить частоту столкновений », — объясняет Хоманн.
Таким образом, исследователи из Кайзерслаутерна впервые наблюдали, как атомы цезия диффундируют при температуре, близкой к абсолютному нулю, в газе, состоящем из атомов рубидия. «Это температуры, которые не может воспроизвести ни один холодильник, поэтому мы использовали лазерные лучи, чтобы охлаждать атомы и удерживать их на месте в вакуумном аппарате. Это замедлило диффузию до такой степени, что можно было наблюдать эффект отдельных столкновений », — объясняет профессор Видера относительно экспериментальной установки.
Для теоретического описания эксперимента исследователи из Кайзерслаутерна получили помощь от своего коллеги профессора Эрика Лутца, профессора теоретической физики в Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU), который помог им разработать математическое моделирование. «С новой моделью мы теперь можем более точно описывать движения атомов», — говорит исследователь из Эрлангена. Вместе они показали, что достаточно изменить коэффициент трения в теоретическом расчете из непрерывной модели.
Таким образом, можно также описать случаи, которые не связаны с непрерывной средой, как в приведенном выше эксперименте. Примеры таких случаев включают, когда аэрозоли — смеси взвешенных частиц — рассеиваются в тонких слоях воздуха в верхних слоях атмосферы, в межзвездном пространстве или в вакуумных системах.