Электронные орбитали в молекуле сфотографировали в 3D
Впервые это удалось сделать в лаборатории, а не на синхротроне.
Администратор
Одно из самых известных и удивительных следствий квантовой механики состоит в том, что электроны в атомах — это не микроскопические шарики, как их упрощенно изображают, а волновые функции. Иными словами, состояние частицы описывается математическим объектом, который позволяет вычислять распределения вероятностей (своего рода карту возможностей) для таких фундаментальных свойств, как положение или импульс. Волновые функции электронов внутри молекулы, известные как «молекулярные орбитали», несут в себе информацию о том, как данная молекула взаимодействует с окружением. Например, показывают, как молекула может поглощать свет или по какому пути пойдет химическая реакция.
Поэтому знание полной трехмерной волновой функции крайне желательно, однако ее визуализация долгое время оставалась сложной экспериментальной проблемой. Авторам исследования в журнале Nature Communications удалось преодолеть эти трудности. Они впервые получили трехмерное изображение волновой функции органической молекулы нанометрового размера в лаборатории.
Две главные новации«Волновая функция — это фундаментальная величина в квантовой механике, и тем не менее ее нельзя наблюдать или измерить напрямую», — объясняет профессор Штефан Матиас из Геттингенского университета.
Ученые воспользовались косвенными методами — фотоэлектронной спектроскопией, в которой измеряют импульс испускаемых электронов. Это дает доступ к одной половине волновой функции, не нарушая ее состояния. А мощные компьютерные алгоритмы затем восстанавливают вторую половину, позволяя исследователям визуализировать молекулярную орбиталь целиком и различать детали, размер которых меньше расстояния между атомами углерода, образующими молекулу.
Применение этого подхода в трех измерениях раньше требовало чрезвычайно трудоемких измерений на больших синхротронах, что сильно ограничивало как распространение метода, так и, в особенности, его расширение на визуализацию «динамических» волновых функций — то есть создание трехмерного видео в масштабе атомов.
С разрешением до ангстрема и фемтосекунд«У нас две основные новации. Во-первых, мы полностью переработали компьютерный алгоритм, благодаря чему теперь можно получать достоверные трехмерные изображения, используя гораздо меньший объем экспериментальных данных. Во-вторых, наша установка базируется на мощном лабораторном источнике мягкого рентгена, генерирующем сверхкороткие импульсы», — говорит физик Маттейс Янсен, один из руководителей исследования.
«Мы сможем наблюдать не только форму волновых функций, но и их изменения со сверхвысоким временны́м разрешением — вплоть до фемтосекунд. Это позволит изучать, как молекула адаптируется к оптическим, электронным или химическим воздействиям, и находить новые способы управления этими взаимодействиями на уровне всего нескольких атомов», — добавляет ведущий автор работы Вибке Беннеке.
Метод продемонстрировали на примере органического полупроводника PTCDA на серебряной подложке. Для визуализации 3D-томографии орбиталей с фемтосекундным импульсом с разрешением 0,75 Å (меньше расстояния между соседними атомами!) хватило всего четырех измеренных энергий фотонов.
Эксперименты проводились в Геттингенском университете, но они не состоялись бы без широкого международного участия — в частности, EUV-монохроматор, выполнявший роль спектрального фильтра, изготовили в Институте фотоники и нанотехнологий в Падуе.
Ученые впервые увидели грушевидные ядра атомов: прорыв в квантовой физике
Физики впервые запечатлели взаимодействие «свободных» атомов
Химики впервые наблюдали влияние теории относительности на молекулярные связи
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX
