Эксперимент, раскрывающий тайны. Зафиксировано квантовое дрожание атомов в молекуле перед ее разрушением
Ученые впервые смогли непосредственно наблюдать квантовое дрожание атомов в сложной молекуле за мгновение до ее распада. Исследователи в Европейском XFEL возле Гамбурга использовали ультракороткие и мощные рентгеновские импульсы, чтобы поразить молекулу 2-йодопиридина.
Под действием энергии электроны были оторваны, и молекула стала высоко заряженной системой, которая мгновенно распалась из-за взаимного отталкивания. Отслеживая направления разлета фрагментов, ученые воссоздали форму и внутреннее движение молекулы в момент ее разрушения.
Как пояснил Маркус Ильхен, ведущий автор исследования:
«Молекула не является жесткой, а находится в постоянном движении из-за квантовых флуктуаций. Мы смогли сфотографировать это движение, разорвав молекулу и проанализировав направления фрагментов.»
Для этого использовали реакционный микроскоп COLTRIMS, который может отслеживать заряженные частицы с точностью до фемтосекунд — это одна квадриллионная секунды. Прибор регистрировал несколько фрагментов одновременно, позволяя создать трехмерную карту структуры молекулы прямо перед распадом.
Исследователи заметили, что фрагменты разлетались не строго в плоскости, как это соответствует форме молекулы, а с небольшими отклонениями — признаками движения, «замерзшими» во времени.
Как отметил Тилл Яньке, старший ученый European XFEL:
«Мы наблюдаем квантовое движение нулевой точки, которое всегда присутствует даже при абсолютном нуле температуры. Это наименьшее возможное движение системы.»
Это движение не было случайным, а демонстрировало скоординированное дрожание атомов — характерное для когерентного квантового движения, а не тепловых колебаний.
Классическая физика не смогла объяснить полученные результаты — совпадение с экспериментом было возможно лишь после учета квантовых эффектов.
Поскольку не все фрагменты можно было измерить в каждом случае, команда применила статистический метод для воспроизведения полной геометрии и движения молекулы из частичных данных. Это позволило получить точную картину процесса разрушения.
Арно Рузае из Института Макса Борна подчеркнул:
«Это важный прорыв в молекулярной визуализации. Теперь мы можем наблюдать квантовое движение в сложных молекулах в реальном времени.»
Эксперимент помогает лучше понять поведение материи на квантовом уровне и может стать основой для дальнейших исследований в химии, физике и квантовом моделировании.
