Obrazowanie ruchu kwantowego elektronów za pomocą światła

Przez dziesięciolecia fizycy badali sposób, w jaki elektron powinien wiązać się z protonem, najprostszym układem atomowym. Fascynujące wzory orbitali wodorowych, które tworzą się na różnych poziomach energii, to obiekty statyczne, obliczone za pomocą szczegółowego modelowania komputerowego. To migawki zamrożonych w czasie atomów wodoru.

Jednak najbardziej zaawansowane modele komputerowe mogą również obliczyć, jak wyglądają atomy wodoru, gdy przechodzą z jednego stanu do drugiego, jak zmieniają się orbitale, jak się łączą i nakładają. Wynikiem są filmy przedstawiające orbitale wodoru w ruchu – ruch kwantowy.

Ale to tylko teoria. Nikt nie wie, jak w praktyce wyglądają atomy wodoru, bo elektronów nie da się sfotografować światłem, nie mówiąc już o kręceniu ich filmów w akcji. Prawidłowy?

Nie do końca. W ostatnich latach fizycy nauczyli się generować impulsy światła, które są wystarczająco małe i wystarczająco krótkie, aby rozerwać strukturę atomu wodoru. Impulsy te składają się z promieni rentgenowskich w pakietach o długości zaledwie kilku długości fali.

W ciągu najbliższych kilku lat technika ta powinna umożliwić tworzenie filmów o rozdzielczości około angstremów i szybkości klatek obrazu na femtosekundę. To więcej niż wystarczająco, aby pokazać ruch orbitali wodoru.

Jak więc będą wyglądać te ruchy? Fizycy dysponują standardowymi technikami obliczania sposobu, w jaki promieniowanie rentgenowskie rozprasza atomy. Pomysł polega na tym, że przygotowują zespół atomów wodoru w określonym stanie lub kombinacji stanów za pomocą konwencjonalnego impulsu laserowego.

Niedługo później niszczą atomy paczkami promieni rentgenowskich i mierzą ich rozproszenie. Daje to migawkę atomu wodoru w tej chwili.

Aby zbudować film, robią kolejne zdjęcie, ale tym razem zostawiają trochę więcej czasu między impulsem przygotowawczym a impulsem obrazowania. I tak dalej. W ten sposób powstaje film przedstawiający kwantowy ruch elektronów na orbicie wokół protonu.

Problem polega oczywiście na tym, że paczka promieni rentgenowskich nieuchronnie zmienia orbitale elektronów, zniekształcając kształt atomu wodoru podczas jego obrazowania. To właśnie to zniekształcenie sprawia, że ​​obrazowanie kwantowe jest tak kłopotliwe.

W rzeczywistości jest tak złożony, że fizycy po prostu go zignorowali; albo przynajmniej wmówili sobie, że jest to znikome. Jedyne obliczenia, jakie kiedykolwiek wykonali w celu modelowania kwantowego ruchu elektronów, zakładają, że promieniowanie rentgenowskie w żaden sposób nie zmienia zachowania elektronów.

Dziś to się zmienia dzięki pracy Gopala Dixita z Centrum Nauki o Laserach na Swobodnych Elektronach w DESY w Hamburgu i paru kumpli.

Ci goście odkryli, w jaki sposób promienie rentgenowskie powinny wpływać na kształt atomu wodoru i obliczyli, jak wyglądałoby nagranie wideo z kwantowego ruchu elektronów.

Powyższy rysunek przedstawia wyniki w postaci serii klatek. Środkowy rząd pokazuje, w jaki sposób zmieniają się orbitale elektronów w superpozycji orbitali 3d i 4f. Dolny rząd przedstawia prognozę zgodną z istniejącym podejściem – i to też jest raczej nieciekawe.

Z drugiej strony górny rząd pokazuje, jak wyglądałyby obrazy, zakładając, że promieniowanie rentgenowskie zniekształca orbitale. Wyraźnie pokazują, jaką asymetrię wprowadziłoby obrazowanie rentgenowskie, na co dotychczasowe podejście po prostu nie pozwala.

To ważne, ponieważ tego rodzaju filmy powinny być możliwe do zrobienia w nadchodzących miesiącach i latach. Umiejętność ich interpretacji będzie kluczowa.

A atomy wodoru to dopiero początek. Już niedługo będziemy mieli filmy przedstawiające ruch kwantowy elektronów w bardziej złożonych molekułach, a może nawet w samych biomolekułach. Kiedy tak się stanie, będziemy obserwować kwantowy ruch samego życia.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1207.4565 : Obrazowanie elektronicznego ruchu kwantowego za pomocą światła

ukryć