Большинство из нас с трудом понимает квантовый мир. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, это похоже на наблюдение за танцем, при котором невозможно одновременно точно увидеть, где кто-то танцует, и как быстро он движется — всегда приходится выбирать, на что сосредоточиться.
И всё же этот квантовый танец далёк от хаотичного; танцоры следуют строгой хореографии. В молекулах это странное поведение имеет ещё одно следствие: даже если молекула должна быть полностью заморожена при абсолютном нуле, она никогда по-настоящему не останавливается. Атомы, из которых она состоит, совершают постоянный, непрекращающийся тихий танец, движимый так называемой энергией нулевых колебаний.
Долгое время считалось, что эти закономерные нулевые движения невозможно измерить напрямую. Однако учёным из Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте и сотрудничающим с ними учреждениям удалось сделать именно это на крупнейшем в мире рентгеновском лазере European XFEL в Гамбурге, Германия.
Они запечатлели «танец атомов», направив «прожектор» на отдельные молекулы и сделав снимки их атомов — раскрыв точную хореографию каждого атома.
Профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте и Института физики Макса Планка в Гейдельберге объясняет: «Самое интересное в нашей работе то, что мы смогли увидеть: атомы не просто вибрируют по отдельности, но и вибрируют согласованно, следуя фиксированным схемам».
«Мы впервые напрямую измерили это поведение в отдельных молекулах среднего размера, которые также находились в состоянии с наименьшей энергией. Это нулевое движение — чисто квантово-механическое явление, которое невозможно объяснить классически».
Вместо хореографии физики говорят о колебательных модах. Хотя схемы движения молекул с двумя или тремя атомами довольно легко проследить, в случае молекул среднего размера это быстро усложняется — как в изученном иодопиридине, который состоит из одиннадцати атомов. Иодопиридин имеет целый репертуар из 27 различных колебательных мод — от балета до танго и народных танцев.
Как можно запечатлеть изображение танцующих частиц?
Используя метод, называемый визуализацией кулоновского взрыва, молекулы запускаются для контролируемого взрыва с помощью ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности рентгеновского излучения, что позволяет получить изображения их структуры с высоким разрешением.
Рентгеновский импульс выбивает множество электронов из молекулы, заставляя атомы — теперь положительно заряженные — отталкиваться друг от друга и разлетаться вдребезги за долю триллионной доли секунды. Фрагменты фиксируются специальным аппаратом, который измеряет время и место их удара, что позволяет реконструировать исходную структуру молекулы.
Этот реакционный микроскоп COLTRIMS разрабатывался в течение последних десятилетий группой атомной физики Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте. Версия, специально разработанная для European XFEL, была создана доктором Грегором Кастирке во время его работы над кандидатской диссертацией.
«Наблюдение за такими прорывными результатами заставляет меня чувствовать себя немного гордым. В конце концов, они достигаются только благодаря многолетней подготовке и слаженной командной работе», — говорит Кастирке.
Результаты дают совершенно новое представление о квантовых явлениях. Впервые исследователи могут непосредственно наблюдать сложные схемы нулевых движений в более сложных молекулах. Эти результаты демонстрируют потенциал разработанного во Франкфурте реакционного микроскопа COLTRIMS.
«Мы постоянно совершенствуем наш метод и уже планируем следующие эксперименты», — говорит Янке. «Наша цель — выйти за рамки танца атомов и наблюдать — в дополнение к танцу электронов — хореографию, которая происходит значительно быстрее и также зависит от движения атомов. С помощью нашего аппарата мы можем постепенно создавать настоящие короткие фильмы молекулярных процессов, что когда-то было невообразимо».
Предоставлено Университетом имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте-на-Майне.