Ученые впервые получили трехмерное изображение скрытой квантовой формы молекулы

Иллюстрация того, как исследователи использовали современную фотоэлектронную спектроскопию (левая часть) с лабораторным источником мягкого рентгеновского излучения, обеспечивающим сверхкороткие световые импульсы, в сочетании с мощными математическими алгоритмами для визуализации волновой функции электронных орбиталей (правая часть). Кредит: Лукас Кролль

Квантовая механика давно бросает вызов привычному представлению о том, что объект должен занимать одно точное место в данный момент времени. Фундаментальные частицы, такие как электроны, вместо этого описываются «волновой функцией» — математическим представлением, которое исследователи могут использовать для расчета вероятностей таких свойств, как положение и импульс.

Внутри молекул электронные волновые функции известны как «молекулярные орбитали». Эти орбитали содержат ценную информацию о том, как молекула ведет себя и взаимодействует с окружающей средой, включая то, как она поглощает свет и как могут протекать химические реакции. Получение полной трехмерной картины волновой функции дало бы ученым мощное представление о молекулярном поведении, но создание такого изображения было чрезвычайно сложной задачей.

Теперь междисциплинарной команде из Университета Гёттингена удалось получить изображение трехмерной волновой функции органической молекулы размером всего в несколько нанометров. Исследователи добились этого, сочетая передовую фотоэлектронную спектроскопию со сложными математическими алгоритмами. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Восстановление неуловимой квантовой волновой функции

«Волновая функция — это фундаментальная величина в квантовой механике, которую, однако, нельзя непосредственно наблюдать или измерить», — объясняет профессор Штефан Матиас из Университета Гёттингена.

Поскольку саму волновую функцию невозможно просто измерить, исследователи использовали косвенный метод, называемый фотоэлектронной спектроскопией. Этот метод измеряет импульс электронов, испускаемых молекулой, что дает ученым доступ к половине волновой функции, не изменяя ее состояния физически.

Затем с помощью сложных компьютерных алгоритмов была реконструирована недостающая половина. Это позволило команде получить изображение полной молекулярной орбитали и различить особенности, которые даже меньше расстояния между атомами углерода внутри молекулы.

До сих пор расширение этого подхода до трех измерений требовало длительных измерений на крупных синхротронных исследовательских установках. Это требование затрудняло широкое использование метода и создавало особенно серьезное препятствие для попыток визуализировать «динамические» волновые функции в виде трехмерных видео в атомном масштабе.

На пути к сверхбыстрым 3D-фильмам о молекулах

Доктор Маттейс Янсен из Университета Гёттингена, соруководитель исследования, подчеркивает оригинальность подхода команды: «Мы представляем две новые мощные концепции. Во-первых, переработав компьютерный алгоритм с нуля, теперь можно получать надежные 3D-изображения, используя гораздо меньше экспериментальных данных. Во-вторых, эксперимент основан на мощном лабораторном источнике мягкого рентгеновского излучения, который обеспечивает сверхкороткие световые импульсы. Именно сочетание этих двух методов дает столь замечательный эффект».

Переработанный алгоритм значительно сокращает объем экспериментальных данных, необходимых для создания надежных трехмерных изображений. В то же время исследователи могут проводить измерения с помощью мощного источника мягкого рентгеновского излучения в лаборатории, который генерирует чрезвычайно короткие импульсы света. Вместе эти достижения могут сделать трехмерную визуализацию волновых функций гораздо более практичной.

Доктор Вибе Беннеке, первый автор исследования, добавляет: «Этот метод может сделать стробоскопическую видеосъемку реальностью, позволяя нам наблюдать не только форму волновых функций, но и то, как она меняется со сверхбыстрым, даже фемтосекундным или одной квадриллионной долей секунды, разрешением. Это позволит нам узнать, как молекула адаптируется к оптическим, электронным или химическим изменениям, и найти новые способы контролировать эти взаимодействия на уровне нескольких атомов».

Если этот метод удастся расширить таким образом, исследователи смогут выйти за рамки статических изображений и наблюдать за эволюцией молекулярных волновых функций во времени. Такие наблюдения могут раскрыть, как молекулы реагируют на свет, электронные эффекты и химические изменения на фемтосекундных временных масштабах, что потенциально даст ученым новые способы понимания и контроля взаимодействий с участием всего нескольких атомов.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Гёттингена.

Wiebke Bennecke, Thi Lan Dinh, Jan Philipp Bange, David Schmitt, Marco Merboldt, Lennart Weinhagen, Bent van Wingerden, Fabio Frassetto, Luca Poletto, Marcel Reutzel, Daniel Steil, D. Russell Luke, Stefan Mathias, G. S. Matthijs Jansen. Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-74308-1