你看到了嗎?這張英國科學攝影大賽冠軍作品,拍到了一顆原子的蹤影

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 22 日 18:30 | 分類 科技教育 , 科技趣聞 follow us in feedly

這張在實驗室拍攝的照片最近贏得了英國工程和自然科學研究委員會(EPSRC)舉辦的全國科學攝影比賽。但你看得出有什麼特別嗎?如果沒看見,你可以再靠近一點:在照片的中心,有一顆正微微發光的原子。



你沒看錯,照片中兩個圓柱形針頭尖端的黑色領域,那個獨自存在、略呈紫色的像素並不是螢幕上的灰塵,而是比例更小上許多的東西:一顆被困在離子阱中的鍶原子(strontium)。

這樣的照片究竟如何拍到的?套一句知名物理學家費曼對原子的形容,「如果地球是一顆蘋果,那麼原始尺寸的蘋果大概就是其中的原子大小」。究竟該如何才能拍到比灰塵顆粒還渺小的東西?

事實上拍攝者 David Nadlinger 使用的相機並沒有什麼特別(Canon 5D Mark II 及 EF 50mm f/1.8 鏡頭、延伸管與兩個閃光燈濾色片),但他在牛津進行博士論文研究的離子阱量子計算實驗室(Ion Trap Quantum Computing)確實提供了一點幫助。

Nadlinger 向 Live Science 解釋,照片中心的圓點並不是鍶原子(strontium)本身真實大小,而是來自周圍的雷射光被原子重新發射出去;當沐浴在特定波長的藍光下時,鍶原子會產生比自身半徑寬數百倍的光,雖然這樣的光線用肉眼仍難以察覺,但只要透過相機一點操作便能變得可見。

「你在照片上看到的原子尺寸其實是像差(optical aberration)所造成,照片景象並不完美──它略微失焦且過曝,就像在夜空看星星一樣,雖然看起來很亮,但星星實際上的尺寸卻比看上去小非常多,這是因為人眼(或鏡頭)並沒有足夠的解析度處理畫面。」

這裡必須再次強調,用肉眼看到單一原子是不可能的,研究團隊是運用實驗室的器材將其困住後,再利用光線與相機長時間曝光,才使其「放大」至些微可見。

▲研究團隊拍下的另一張照片。

為了要拍出這樣的相片,研究人員得給予原子一個正或負的淨電荷,使其變為離子才能捕捉,而在離子阱裝置中,4 個刀型電極產生的電流使原子固定在垂直軸上,兩側的圓柱形針頭則將其困在固定的水平中。

一旦原子受到限制,許多雷射光便會撞擊原子,並往各方向散射出光線,照片背景的藍紫色光線便是源自與此。

運用這個系統,研究人員能在小電極之間捕捉許多離子串,並產生令人驚歎的圖片。網站公布的另一張照片裡,便可以看到 9 個離子成串狀困在其中,Nadlinger 認為從科學角度來看,這實際上是一張更有趣的照片,但為了闡述相關概念,第一張照片仍更具吸引力。

「我認為這張照片令人感興趣的原因在於,你可以看到周遭的設備,我想人們會訝於這個原子看起來多大……我希望這張照片不會讓百年來的科學教育觀念付之一炬,原子確實令人難以置信的小!」

(圖片來源:University of Oxford/David Nadlinger