Ученые сфотографировали тень... атома!

Недавно физикам из Австралии удалось то, что прежде считалось невозможным. Они, используя специальную технику, смогли сфотографировать тень, которую отбрасывал одиночный атом иттербия. По мнению ученых, разработанная ими методика может успешно применяться в клеточной биологии — можно будет сфотографировать разные моменты из жизни белков и ДНК.

Фото:

Как мы помним, тень может отбрасывать любой предмет, способный отражать падающие на него фотоны или поглощать их. Поэтому, с точки зрения физики, нет ничего удивительного в том, что и атомы имеют тени — ведь они тоже могут поглощать фотоны. Однако это предположение долгое время не удавалось проверить на практике. Ведь для того, чтобы доказать данную гипотезу, тень атома нужно всего-навсего… сфотографировать! Но именно это и было весьма и весьма непросто.

Однако недавно ученым из Университета Гриффита (Австралия) впервые удалось сделать это. Они получили достаточно четкую фотографию тени атома редкоземельного металла иттербия. Точнее говоря, не атома, а иона — в эксперименте принимал участие единичный ¹⁷⁴Yb⁺, удерживаемый в условиях сверхвысокого вакуума при помощи так называемой ловушки Пауля.

Напомню, что таковой называют приспособление, состоящее из четырех гиперболических электродов. В случае параллельной ловушки они стоят параллельно друг друга, а в случае квадрокупольного варианта (который и использовался в эксперименте) — как бы "крест-накрест". По этим электродам подается переменный ток, он создает электрическое поле, которое и удерживает ион. Правда, если быть совсем точным, то ион все-таки не стоит на месте, а совершает некие колебательные движения вблизи фиксированной точки.

Читайте также: Физики записали информацию на атом

Итак, после того как физики "заманили" одиночный ион иттербия в такую ловушку, они направили на него электромагнитное излучение с длиной волны в 369,5 нм. Весь пучок был сфокусирован в точку размером в несколько микрометров. Все это создавало поле освещения и одновременно обеспечивало лазерное охлаждение. Прошедший же свет собирался с помощью фазовой линзы Френеля (особый тип линзы, состоящей не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иными поверхностями (как обычные линзы), а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля) и подавался на охлаждаемую ПЗС-камеру.

В результате однократного и не слишком длительного времени воздействия света на атом хватало для того, чтобы получить отчетливый снимок. При этом выдержки составляло 0,05-1 секунд. В тоже время следует заметить, что в данном случае понятие "отчетливый" несколько не совпадало с его значением, принятым для характеристики фотографий макроскопических объектов. Здесь имелось в виду не разрешение, а контрастность изображения. Грубо говоря, исследователи старались сделать такой снимок, на котором темные точки будут сильно отличаться от светлых.

Можно сказать, у них это получилось — на самых лучших фотографиях контраст доходил до 3,1 процента, что можно считать просто превосходным результатом, полностью раскрывающим возможности установки. Следует заметить, что при экспериментах, проводившихся ранее, когда ученые пытались сфотографировать тень от отдельных молекул, такие значения были недостижимы. Кроме того, работа австралийских исследователей блестяще подтвердила предположения о том, что отдельные атомы тоже могут отбрасывать тень, поглощая и отклоняя часть фотонов из направленного на них светового пучка.

Однако зачем вообще были затеяны все эти исследования? Неужели просто для того, чтобы выяснить, есть ли тень у атома или нет? На самом деле, эта работа имела несколько другой практический смысл. Теперь, когда фотосъемка завершилась успешно, можно вполне рассчитывать на то, что опробованная австралийцами простая методика будет применяться в клеточной биологии. Там она будет весьма и весьма востребована и может в ближайшем будущем привести к сенсационным открытиям.

Например, у нуклеиновых кислот есть пик поглощения в ультрафиолетовой области на длине волны в 260 нм, который дает возможность выделить их на фоне других компонентов клетки. Тем не менее, сами биологи не используют эту особенность наследственного вещества, поскольку само по себе 260-нанометровое излучение имеет выраженный бактерицидный эффект, то есть может разрушить клетку. Теперь же эту проблему можно будет решить, просто сократив время экспозиции до такого промежутка, за который УФ-лучи не успеют оказать своего смертоносного эффекта.

В итоге с использованием методики австралийских физиков наблюдения за волокнами хроматина (напомню, что так называют комплекс ДНК и специальных ядерных белков) в динамике становится вполне реальной. Согласно расчетам, контраст фотографий 100-нанометровых волокон может составлять около 30 процентов, что дает возможность увидеть и запечатлеть на фотографии многие интересные вещи. Например, процесс считывания информации с ДНК и синтез РНК, а также процессы восстановления нуклеиновых кислот после повреждения.

Читайте также: Наноухо услышит мысли бактерий о нас

Не исключено, что скоро вместо построения красочных анимированных компьютерных моделей (для чего ученым нужны суперкомпьютеры), исследователи смогут снимать "с натуры" фильмы о жизни белков, нуклеиновых кислот и прочих биомолекул. После же анализ этих фото- и видеосъемок поможет разгадать многие загадки функционирования жизни на молекулярном уровне…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"