Понять квантовый мир большинству из нас сложно. 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 чём 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 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 при Университете имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте и Института физики Общества 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», — говорит он.
Вместо хореографии физики говорят о колебательных модах. Хотя схемы движения молекул с двумя или тремя атомами довольно легко проследить, с молекулами среднего размера это быстро усложняется — как, например, с изученным йодопиридином, который состоит из одиннадцати атомов. Йодопиридин имеет целый репертуар из 27 различных колебательных мод — от балета до танго и народного танца.
Как можно запечатлеть изображение танцующих частиц?
Используя метод, называемый визуализацией кулоновского взрыва, молекулы заставляют претерпевать контролируемый взрыв с помощью ультракоротких высокоинтенсивных импульсов рентгеновского лазера, 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 группой атомной физики Университета имени Иоганна Вольфганга Гёте в течение последних десятилетий. Версию, специально адаптированную для European XFEL, создал доктор Грегор Кастирке во время своей докторской работы.
«Наблюдение за такими новаторскими результатами заставляет меня чувствовать себя немного гордым. В конце концов, они достигаются только благодаря многолетней подготовке и тесному сотрудничеству», — говорит Кастирке, наблюдая за работой устройства в действии.
Результаты дают совершенно новое представление о квантовых явлениях. Впервые исследователи могут непосредственно наблюдать сложные схемы нулевых движений в более сложных молекулах. Эти открытия 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 короткометражные фильмы молекулярных процессов, что когда-то было невообразимо».
Предоставлено Университетом имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте-на-Майне.
molecules, this strange behavior has another consequence: Even if a molecule should be completely frozen at absolute zero, it never truly comes to rest. The atoms it is made of perform a constant, never-ending quiet dance driven by so-called zero-point energy.”,”For a long time, these patterned zero-point movements were considered impossible to measure directly. However, scientists at Goethe University Frankfurt and partner institutions have now succeeded in doing precisely that at the world’s largest X-ray laser, the European XFEL in Hamburg, Germany.”,”They captured the \”dance of the atoms\” by shining a \”spotlight\” on individual molecules and taking snapshots of their atoms—revealing each atom’s precise choreography.”,”Professor Till Jahnke from the Institute for Nuclear Physics at Goethe University Frankfurt and the Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg explains, \”The exciting thing about our work is that we were able to see that the atoms don’t just vibrate individually, but that they vibrate in a coupled manner, following fixed patterns.”,”\”We directly measured this behavior for the first time in individual medium-sized molecules that were also in their lowest energy state. This zero-point motion is a purely quantum mechanical phenomenon that cannot be explained classically.\””,”Instead of choreography, physicists speak of vibrational modes. While the motion patterns of molecules with two or three atoms are fairly easy to follow, it quickly becomes complex with medium-sized molecules—like the studied iodopyridine, which consists of eleven atoms. Iodopyridine features a whole repertoire of 27 different vibrational modes—from ballet to tango to folk dance.”,”But how can you capture an image of dancing particles? Using a technique called Coulomb Explosion Imaging, molecules are triggered to undergo a controlled explosion by ultrashort, high-intensity X-ray laser pulses, allowing high-resolution images of their structure to be generated.”,”The X-ray pulse knocks many electrons out of the molecule, causing the atoms—now positively charged—to repel each other and fly apart in a fraction of a trillionth of a second. The fragments are recorded by a special apparatus that measures their time and position of impact, enabling the reconstruction of the molecule’s original structure.”,”This COLTRIMS reaction microscope has been developed over the past decades by Goethe University’s Atomic Physics group. A version tailored specifically to the European XFEL was built by Dr. Gregor Kastirke during his Ph.D. work. Seeing the device in action is something special, Kastirke says, noting, \”Witnessing such groundbreaking results makes me feel a little proud. After all, they only come about through years of preparation and close teamwork.\””,”The results provide entirely new insights into quantum phenomena. For the first time, researchers can directly observe the complex patterns of zero-point motion in more complex molecules. These findings demonstrate the potential of the Frankfurt-developed COLTRIMS reaction microscope.”,”\”We’re constantly improving our method and are already planning the next experiments,\” says Jahnke. \”Our goal is to go beyond the dance of atoms and observe—in addition to the dance of electrons—a choreography that is significantly faster and also influenced by atomic motion. With our apparatus, we can gradually create real short films of molecular processes, something that was once unimaginable.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tGoethe University Frankfurt am Main\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник