211service.com
Elektronu kvantu kustības attēlveidošana, izmantojot gaismu
Gadu desmitiem fiziķi ir pētījuši veidu, kā elektronam vajadzētu saistīties ar protonu, visvienkāršāko atomu sistēmu. Ūdeņraža orbitāļu aizraujošie modeļi, kas veidojas dažādos enerģijas līmeņos, ir statiski objekti, kas aprēķināti ar detalizētu datormodelēšanu. Tie ir laikā iesaldētu ūdeņraža atomu momentuzņēmumi.
Taču vismodernākie datoru modeļi var arī aprēķināt, kā izskatās ūdeņraža atomi, kad tie pārslēdzas no viena stāvokļa uz otru, kā orbitāles maina formu, kā tās apvienojas un pārklājas. Rezultāti ir video ar ūdeņraža orbitālēm kustībā un kvantu kustībā.
Bet tas viss ir tikai teorija. Neviens nezina, kā ūdeņraža atomi izskatās praksē, jo nav iespējams nofotografēt elektronus ar gaismu, nemaz nerunājot par to, lai tie darbotos. Taisnība?
Ne īsti. Pēdējos gados fiziķi ir iemācījušies radīt gaismas impulsus, kas ir pietiekami mazi un pietiekami īsi, lai izjauktu ūdeņraža atoma struktūru. Šie impulsi sastāv no rentgena stariem paketēs tikai dažus viļņu garumus.
Dažos nākamajos gados ar šo paņēmienu jāspēj uzņemt filmas ar aptuveni angstroma izšķirtspēju un attēla kadru ātrumu femtosekundē. Tas ir vairāk nekā pietiekami labi, lai parādītu ūdeņraža orbitāļu kustību.
Kā tad izskatīsies šīs kustības? Fiziķiem ir standarta metodes, lai aprēķinātu veidu, kā rentgena stari izkliedē atomus. Ideja ir tāda, ka viņi sagatavo ūdeņraža atomu ansambli noteiktā stāvoklī vai stāvokļu kombinācijā, izmantojot parasto lāzera impulsu.
Pēc neilga laika viņi satver atomus ar rentgena staru paketēm un mēra, kā tie ir izkliedēti. Tas nodrošina ūdeņraža atoma momentuzņēmumu tajā brīdī.
Lai izveidotu filmu, viņi uzņem citu attēlu, bet šoreiz atstāj nedaudz papildu laika starp sagatavošanas impulsu un attēlveidošanas impulsu. Un tā tālāk. Tas rada filmu par elektronu kvantu kustību orbītā ap protonu.
Problēma, protams, ir tāda, ka rentgenstaru pakete neizbēgami maina elektronu orbitāles, izkropļojot ūdeņraža atoma formu, kad tas tiek attēlots. Tieši šie kropļojumi padara kvantu attēlveidošanu tik apgrūtinošu.
Patiesībā tas ir tik sarežģīts, ka fiziķi to vienkārši ir ignorējuši; vai vismaz pārliecināja sevi, ka tas ir niecīgs. Vienīgie aprēķini, ko viņi jebkad ir veikuši, lai modelētu elektronu kvantu kustību, pieņem, ka rentgena stari nekādā veidā nemaina elektronu uzvedību.
Šodien tas mainās, pateicoties Gopal Dixit darbam DESY Brīvo elektronu lāzera zinātnes centrā Hamburgā un pāris draugiem.
Šie puiši ir izstrādājuši, kā rentgena stariem vajadzētu ietekmēt ūdeņraža atoma formu, un aprēķinājuši, kā izskatītos video ar elektronu kvantu kustību.
Augšējā attēlā rezultāti parādīti kā kadru sērija. Vidējā rinda parāda veidu, kā mainās elektronu orbitāles, atrodoties 3d un 4f orbitāļu superpozīcijā. Apakšējā rindā ir parādīta prognoze atbilstoši esošajai pieejai – un arī tā ir diezgan neinteresanta.
No otras puses, augšējā rinda parāda, kā attēli izskatītos, pieņemot, ka rentgena stari kropļo orbitāles. Tie skaidri parāda, kāda veida asimetrija radītu rentgena attēlveidošanu, ko pašreizējā pieeja vienkārši nepieļauj.
Tas ir svarīgi, jo šāda veida videoklipus vajadzētu būt iespējai uzņemt nākamajos mēnešos un gados. Ļoti svarīgi būs zināt, kā tos interpretēt.
Un ūdeņraža atomi būs tikai sākums. Nepaies ilgs laiks, kad mums būs video par elektronu kvantu kustību sarežģītākās molekulās, iespējams, pat pašās biomolekulās. Kad tas notiks, mēs vērosim pašas dzīves kvantu kustību.
Atsauce: arxiv.org/abs/1207.4565 : Elektroniskās kvantu kustības attēlveidošana ar gaismu