Учёные впервые зафиксировали квантовый «танец» атомов в молекулах

Сверхкороткие импульсы рентгеновского лазера высокой интенсивности вызывают контролируемые «взрывы» молекул, позволяя получать их изображения с высоким разрешением. Автор: Тилль Янке / Университет Гёте во Франкфурте.

Квантовый мир остаётся загадкой для большинства людей: согласно принципу неопределённости Гейзенберга, наблюдать его — всё равно что смотреть танец, не имея возможности одновременно разглядеть, где именно находится танцор и с какой скоростью он движется. Приходится выбирать что-то одно. Однако этот «квантовый танец» далёк от хаоса — у него есть строгая хореография. В молекулах это приводит к удивительному эффекту: даже если молекула теоретически «заморожена» при абсолютном нуле, её атомы никогда не останавливаются, совершая постоянные колебания под действием так называемой нулевой энергии.

Первое прямое измерение согласованных колебаний

Долгое время считалось, что эти колебания невозможно измерить напрямую. Но учёные из Университета Гёте во Франкфурте и их коллеги смогли сделать это на крупнейшем в мире рентгеновском лазере European XFEL в Гамбурге. Они «осветили» отдельные молекулы и сделали «моментальные снимки» их атомов, раскрыв точную хореографию их движения.

«Самое интересное в нашей работе — мы увидели, что атомы колеблются не по отдельности, а согласованно, следуя определённым паттернам. Впервые мы напрямую измерили это поведение у отдельных молекул среднего размера, находящихся в основном энергетическом состоянии. Это нулевые колебания — чисто квантовомеханическое явление, которое нельзя объяснить классически», — поясняет профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Университета Гёте.

Физики называют эти паттерны колебательными модами. Если у молекул из двух-трёх атомов их немного, то у более сложных структур, таких как йодпиридин (11 атомов), картина усложняется. У этой молекулы обнаружено 27 различных колебательных мод — от «балета» до «танго» и «народных танцев».

Метод «взрыва» и реконструкции

Для фиксации движения атомов использовалась техника «кулоновского взрыва». Сверхкороткие импульсы рентгеновского лазера выбивают электроны из молекулы, после чего положительно заряженные атомы отталкиваются и разлетаются за доли наносекунды. Специальный детектор фиксирует их траектории, позволяя восстановить исходную структуру молекулы.

«Наблюдать такие прорывные результаты — это особая гордость. Они стали возможны благодаря годам подготовки и слаженной командной работы», — отмечает доктор Грегор Кастирке, разработавший модифицированную версию детектора COLTRIMS для European XFEL.

Новые горизонты квантовых исследований

Открытие даёт уникальное представление о квантовых явлениях. В будущем учёные планируют зафиксировать не только «танец атомов», но и «танец электронов» — ещё более быстрый процесс, зависящий от движения ядер.

«Мы постоянно совершенствуем метод и уже готовим новые эксперименты. Наша цель — создавать „короткометражные фильмы“ о молекулярных процессах, что раньше казалось невозможным», — говорит Янке.

Исследование опубликовано в журнале Science (DOI: 10.1126/science.adu2637).