Находящие применение в создании новых материалов и компонентов электроники углеродные нанотрубки могут применяться для создания «черных дыр» атомного масштаба.

Охлажденные действием лазера атомы захватываются одностенной углеродной нанотрубкой, заряд которой составляет сотни вольт. Захваченный атом движется по спирали вокруг нанотрубки (траектория атома обозначена белым), при сближении с поверхностью трубки происходит туннелирование валентного электрона (желтый) на нанотрубку. Образующийся в результате потери электрона катион (пурпурный) «отбрасывается» от нанотрубки. (Рисунок из Physical Review Letters, 2010; 104 (13): 133002)

Физики из Гарварда обнаружили, что находящаяся под высоким напряжением нанотрубка может заставить охлажденные атомы двигаться по спиралевидной траектории с возрастающим ускорением. Исследователи заявляют, что их эксперименты являются первым примером демонстрации феномена, напоминающего «черную дыру» на атомном уровне.

Лене Вестергаард Хау (Lene Vestergaard Hau) отмечает, что в его группе получено свидетельство о существовании системы, которая в наномасштабах так же безжалостно и неумолимо захватывает и притягивает объекты, как это в космических масштабах делает черная дыра. Исследователь добавляет, что результаты его работы представляют собой первый пример изучения явлений, в которых одновременно участвуют охлажденные атомы и нанообъекты. Результаты исследования могут оказаться полезными для разработки новых экспериментов с ультраохлажденными атомами и наноразмерными устройствами.

В группе Хау с помощью лазерной техники охладили облака, содержащие до миллиона атомов натрия, до долей градуса Кельвина. Затем это «облако» было направлено по направлению к подвешенной в пространстве нанотрубке, потенциал которой составлял сотни вольт. Большая часть атомов проходила мимо нанотрубки, однако приближавшиеся к «нанопроводу» на расстояние, меньшее 1 мкм (не более 0,001% от общего количества атомов в облаке) притягивались к нанотрубке и развивали огромную скорость, двигаясь по спирали вокруг нее.

Начиная двигаться со скоростью 5 м/с, в конечной точке опоясывающей нанотрубку спиралевидной траектории ультраохлажденные атомы разгоняются за 1200 м/с. В результате такого ускорения кинетическая энергия атомов (в пересчете на температуру) увеличивается с 0,1К до тысяч кельвинов менее, чем за микросекунду.

В ближайшей к нанотрубке точке траектории ускоренные атомы «разделяются» на электрон и катион, который некоторое время обращается вокруг нанотрубки, делая полный оборот за 10^–9 секунды. Затем электрон туннелирует в электронную систему нанотрубки, а катион отталкивается от нее вод воздействием электрического потенциала значением в 300 В отталкивается от нанотрубки, развивая скорость до 26000 м/с.

Один из соавторов работы, Джин Головченко (Jene A. Golovchenko) отмечает, что в результате новых экспериментов новые интересные системы для изучения получили как специалисты по ультраохлажденным атомам, так и специалисты по нанообъектам. Работа группы Хау является первой экспериментальной демонстрацией динамического поведения атомов, электронов и ионов на наноразмерном масштабе.

Источники:

1. Physical Review Letters, 2010; 104 (13): 133002 DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.133002

2. http://www.chemport.ru/datenews.php?news=2057