Fizičari u Innsbrucku sačuvali su i snimili rasporede električnih naboja koji se oblikuju na površini sićušnih kapljica helija. Zlatne nanočestice ostale su kao trag nakon što je helij ispario i omogućile provjeru predviđanja jednog od poznatih problema matematičke fizike: kako na kugli rasporediti naboje koji se međusobno odbijaju.
U 25 analiziranih otisaka, s pet do 36 naboja po kapljici, pronašli su obrasce koji se vrlo dobro podudaraju s teorijski predviđenim rasporedima najmanje energije. Pokus ne daje opće matematičko rješenje Thomsonova problema, ali omogućuje da se predviđeni rasporedi naboja usporede s onime što nastaje u laboratoriju.
Metodu je razvio tim Paula Scheiera sa Sveučilišta u Innsbrucku, s Thomasom Pohlom kao prvim autorom rada objavljenog u časopisu Physical Review Letters. U istraživanju su sudjelovali i znanstvenici sa sveučilišta u Leicesteru, Durhamu i Cambridgeu.
Jednostavno pitanje, težak račun
Jednaki električni naboji međusobno se odbijaju. Kada su ograničeni na površinu kugle, njihov ravnotežni raspored ovisi o tome koliko ih ima. Položaj svakog naboja utječe na sve ostale, pa dodavanje novih čestica brzo povećava složenost izračuna.
Joseph J. Thomson postavio je taj problem 1904., u vrijeme kada je razvijao svoj model atoma. Model je odavno napušten, no pitanje kako rasporediti naboje na kugli ostalo je važno i izvan fizike atoma. Slični geometrijski problemi pojavljuju se pri proučavanju virusnih ovojnica, molekula poput fulerena i sitnih čestica raspoređenih po zakrivljenim površinama.
Za malen broj naboja moguće je pronaći jednostavne, pravilne konfiguracije. Za veće sustave usporedba mogućih rasporeda postaje mnogo zahtjevnija. Innsbruški pokus ne zamjenjuje matematički dokaz, nego nudi fizički sustav u kojem se takvi obrasci mogu oblikovati i zatim istraživati.
Zlato čuva trag naboja
Istraživači su upotrijebili kapljice superfluidnog helija, ohlađenog na svega nekoliko desetinki stupnja iznad apsolutne nule. U takvu stanju helij teče bez uobičajenog viskoznog otpora i pruža vrlo hladno okruženje s malo vanjskih smetnji.
Istraživači su kapljice elektronskim snopom višestruko pozitivno nabili. Ioni su se premjestili prema njihovoj površini i ondje rasporedili pod utjecajem međusobnog odbijanja. Kapljice su potom prolazile kroz zlatnu paru. Atomi zlata nakupljali su se na mjestima naboja i stvarali nanočestice, svaku s jednim pozitivnim nabojem i približno 700 atoma.
Ključan korak uslijedio je pri udaru kapljice o podlogu za transmisijsku elektronsku mikroskopiju. Helij je ispario, a zlatne čestice ostale su na podlozi. Na podlozi je tako ostao otisak rasporeda koji je prethodno nastao na zakrivljenoj površini.
Time je riješen praktičan problem: kako pregledati raspored naboja nakon što kapljice više nema. Nanočestice zlata djelovale su kao oznake koje mikroskop može snimiti. Analizom otisaka istraživači su provjerili koliko se dobiveni uzorci podudaraju s teorijskim proračunima.
Zašto se među šesterokutima pojavljuju peterokuti
U većim kapljicama, polumjera do približno jednog mikrometra, uočili su drukčiju vrstu reda. Zlatne nanočestice tvorile su šesterokutnu mrežu prekinutu pojedinačnim peterokutnim nepravilnostima.
Takvi prekidi povezani su sa zakrivljenošću površine. Ravni šesterokutni uzorak ne može bez prilagodbe prekriti cijelu kuglu. Sličan se geometrijski odnos vidi na klasičnoj nogometnoj lopti, čiju površinu zajedno tvore peterokuti i šesterokuti. U pokusu se tako može pratiti prijelaz od malih skupina naboja do složenijih mreža na zakrivljenoj podlozi.
Veće sustave ipak treba snimiti pouzdanije. Prema opisu istraživanja Sveučilišta u Innsbrucku, tim planira usporiti kapljice kako bi pri dodiru s podlogom ostavljale manje iskrivljene otiske i kada nose mnogo naboja. Rotirajuće kapljice mogu poprimiti i nesferične oblike, što bi omogućilo slične pokuse na složenijim zakrivljenim površinama.
