Первое прямое измерение коррелированного движения нулевой точки

Долгое время считалось, что эти шаблонные движения с нулевой точкой невозможно измерить напрямую. Однако ученым из Франкфуртского университета имени Гете и партнерским институтам теперь удалось добиться именно этого на крупнейшем в мире рентгеновском лазере European XFEL в Гамбурге, Германия. Они запечатлели "танец атомов", направив "прожектор" на отдельные молекулы и сделав моментальные снимки их атомов, выявив точную хореографию каждого атома.

Профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Франкфуртского университета имени Гете и Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге объясняет: "Самое захватывающее в нашей работе то, что мы смогли увидеть, что атомы вибрируют не просто по отдельности, но что они вибрируют совместно, следуя фиксированным закономерностям. Мы впервые непосредственно измерили это поведение у отдельных молекул среднего размера, которые также находились в своем самом низком энергетическом состоянии. Это движение в нулевой точке - чисто квантово-механическое явление, которое невозможно объяснить классически." Вместо хореографии физики говорят о колебательных режимах. В то время как закономерности движения молекул с двумя или тремя атомами довольно легко проследить, они быстро усложняются с молекулами среднего размера - такими, как изученный йодопиридин, который состоит из одиннадцати атомов. Йодопиридин обладает целым репертуаром из 27 различных режимов вибрации - от балета до танго и народного танца.

"Этот эксперимент имеет долгую историю", - говорит Янке. "Первоначально мы собрали данные в 2019 году во время кампании по измерению, проводимой Ребеккой Болл в европейском XFEL, которая преследовала совершенно другую цель. Только два года спустя мы поняли, что на самом деле наблюдаем признаки движения к нулевой точке. Прорыв произошел благодаря сотрудничеству с нашими коллегами из теоретической физики из Центра лазерной науки на свободных электронах в Гамбурге. Бенуа Ришар и Людгер Инхестер, в частности, разработали новые методы анализа, которые подняли нашу интерпретацию данных на совершенно новый уровень. Оглядываясь назад, я понимаю, что многие кусочки головоломки должны были идеально сложиться вместе."

Взрыв раскрывает молекулярную структуру

Но как вы можете запечатлеть изображение танцующих частиц? Используя метод, называемый визуализацией кулоновского взрыва, молекулы подвергаются контролируемому взрыву с помощью ультракоротких рентгеновских лазерных импульсов высокой интенсивности, что позволяет получать изображения их структуры с высоким разрешением. Рентгеновский импульс выбивает из молекулы много электронов, заставляя атомы, которые теперь заряжены положительно, отталкиваться друг от друга и разлетаться в стороны за доли триллионной доли секунды. Фрагменты регистрируются специальным прибором, который измеряет время и положение их столкновения, позволяя восстановить первоначальную структуру молекулы. Этот реакционный микроскоп COLTRIMS был разработан за последние десятилетия группой атомной физики Университета Гете. Версия, адаптированная специально для европейского XFEL, была создана доктором Грегором Кастирке во время его докторской работы. Видеть устройство в действии - это нечто особенное, говорит Кастирке: "Наблюдение за такими новаторскими результатами вызывает у меня чувство некоторой гордости. В конце концов, они появляются только через годы подготовки и тесной командной работы".

Новое понимание квантового мира

Полученные результаты дают совершенно новое представление о квантовых явлениях. Впервые исследователи могут непосредственно наблюдать сложные закономерности движения нулевой точки в более сложных молекулах. Эти результаты демонстрируют потенциал разработанного во Франкфурте реакционного микроскопа COLTRIMS. "Мы постоянно совершенствуем наш метод и уже планируем следующие эксперименты", - говорит Янке. "Наша цель состоит в том, чтобы выйти за рамки танца атомов и дополнительно понаблюдать за танцем электронов - хореографией, которая значительно быстрее и на которую также влияет движение атомов. С помощью нашего аппарата мы можем постепенно создавать настоящие короткометражные фильмы о молекулярных процессах - то, что когда-то было невообразимо".