Дослідники з Університету Геттінгена вперше отримали повноцінне тривимірне зображення хвильової функції молекули – однієї з найфундаментальніших, але водночас найневловиміших величин квантової механіки. Як повідомляє ScienceDaily, їм вдалося реконструювати молекулярну орбіталь органічної молекули нанометрового розміру з такою деталізацією, що видно структури, менші за відстань між її атомами Карбону.
Що таке хвильова функція і чому її важко побачити
У квантовій механіці електрони та інші частинки описують не як точки з чітким положенням, а за допомогою хвильової функції – математичного об’єкта, з якого можна обчислити ймовірності різних властивостей, зокрема положення та імпульсу. Усередині молекул хвильові функції електронів називають молекулярними орбіталями.
Ці орбіталі містять ключову інформацію про те, як молекула поводиться: як вона поглинає світло, вступає в хімічні реакції та взаємодіє з оточенням. Повна тривимірна «карта» хвильової функції дала б потужний інструмент для розуміння такої поведінки, але безпосередньо виміряти хвильову функцію неможливо.
Професор Штефан Матіас (Stefan Mathias) з Університету Геттінгена пояснює, що хвильова функція не піддається прямому спостереженню, тому доводиться вдаватися до непрямих методів.
Фотоелектронна спектроскопія плюс алгоритми
Команда використала фотоелектронну спектроскопію – метод, за якого зразок опромінюють високоенергетичним світлом і вимірюють імпульс електронів, що вилітають з молекули. Такі вимірювання дають доступ до однієї «половини» інформації про хвильову функцію, не руйнуючи її повністю.
Щоб відновити «відсутню» частину, дослідники застосували спеціально розроблені математичні алгоритми. Поєднавши експериментальні дані з обчисленнями, вони змогли реконструювати повну молекулярну орбіталь у трьох вимірах і розрізнити деталі, менші за відстань між атомами Карбону в молекулі.
Раніше для подібних тривимірних реконструкцій потрібні були тривалі серії вимірювань на великих синхротронних установках. Це суттєво обмежувало можливості методу, особливо коли йшлося про спроби зняти «динамічне кіно» хвильових функцій у часі.
Настільна установка замість гігантського синхротрону
Співавтор роботи доктор Г. С. Маттейс Янсен (G. S. Matthijs Jansen) підкреслює, що успіх став можливим завдяки двом новим концепціям. По-перше, алгоритм реконструкції було переписано «з нуля», тож тепер для отримання надійних 3D-зображень потрібно значно менше експериментальних даних.
По-друге, експеримент базується на потужному лабораторному джерелі м’якого рентгенівського (екстремального ультрафіолетового) випромінювання, яке генерує надкороткі світлові імпульси. Це означає, що складні вимірювання можна виконувати у звичайній лабораторії, без доступу до великих наукових центрів.
Комбінація компактного джерела м’якого рентгенівського випромінювання та оптимізованого алгоритму робить тривимірну візуалізацію хвильових функцій значно практичнішою та доступнішою.
Крок до «відео» хвильових функцій з фемтосекундною роздільною здатністю
Перша авторка дослідження доктор Вібке Беннеке (Wiebke Bennecke) зазначає, що новий підхід може відкрити шлях до стробоскопічної «відеозйомки» квантових станів. Ідеться не лише про фіксацію форми хвильової функції в певний момент, а й про спостереження, як вона змінюється з часом з роздільною здатністю до фемтосекунд – квадрильйонних часток секунди.
Якщо метод вдасться розвинути в цьому напрямку, фізики зможуть у реальному часі відстежувати, як молекула реагує на оптичні, електронні чи хімічні збурення. Це дасть змогу вивчати й потенційно контролювати взаємодії на рівні кількох атомів, спостерігаючи, як хвильові функції еволюціонують під дією світла або під час хімічних реакцій.
Робота, опублікована в журналі Nature Communications, демонструє, що настільна тривимірна томографія молекулярних орбіталей за допомогою фемтосекундного джерела екстремального ультрафіолету вже стала реальністю. Наступним кроком може стати перехід від статичних «знімків» до повноцінних квантових «фільмів» про життя молекул.