Электронные орбитали сфотографировали в 3D

Физики из Германии впервые визуализировали трехмерную волновую функцию молекулы. Новая технология не требует крупных синхротронных установок и открывает возможности для наблюдения за изменениями волновой функции в реальном времени.

Ученые «сфотографировали» невидимое: направили на молекулу сверхкороткие вспышки мягкого рентгеновского света и поймали вылетающие электроны. По их скорости и направлению удалось понять изначальное состояние частиц. Компьютерные алгоритмы обработали данные и показали, как электрон «размазан» вокруг атомов — так ученые увидели изображение электронных орбиталей молекулы

Источник: Геттингенский университет

В квантовой механике фундаментальные частицы, такие как электроны, не находятся в одной конкретной точке — их состояние описывают с помощью волновой функции. Она позволяет исследователям выводить распределения вероятностей — своего рода математическую карту, показывающую возможные варианты фундаментальных свойств, таких как ее положение и импульс.

Волновые функции электронов внутри молекулы — молекулярные орбитали — несут информацию о том, как молекула взаимодействует с окружающей средой. Например, они показывают, как она может поглощать свет или как может происходить химическая реакция. Следовательно, знание полной трехмерной волновой функции крайне желательно, но визуализация волновой функции оказалась серьезной экспериментальной проблемой для ученых.

Одна из трехмерных фотографий волновой функции, на которой показана наивысшая занятая молекулярная орбиталь PTCDA — молекулы, часто используемой для получения красных красителей благодаря сильному взаимодействию со светом. В центре показано трехмерное изображение, а на боковых панелях — срезы орбитали на расстоянии 1 Å (одна десятимиллиардная метра) от центра молекулы

Источник: Геттингенский университет

Исследователи из Геттингенского университета смогли визуализировать трехмерную волновую функцию небольшой органической молекулы — для этого они объединили метод фотоэлектронной спектроскопии с продвинутыми математическими алгоритмами. Суть метода в том, что сначала измеряют импульс вылетающих электронов — так получают часть данных о волновой функции, не нарушая ее состояния. Затем с помощью расчетов восстанавливают недостающую часть и собирают полную картину. Раньше для подобных 3D‑измерений нужны были большие синхротронные установки, поэтому метод был труднодоступным.

Теперь ситуация изменилась: ученые улучшили алгоритм, который теперь дает надежные 3D‑изображения даже по небольшому объему данных. Кроме того, в эксперименте используют компактный лабораторный источник мягкого рентгеновского излучения с очень короткими световыми импульсами. Благодаря этому в перспективе появится возможность снимать «стробоскопические» видео на атомном уровне — то есть фиксировать, как волновая функция меняется за невероятно малые промежутки времени. Это поможет уточнить, как молекула реагирует на внешние воздействия, и научиться управлять ее поведением буквально на уровне отдельных атомов.

Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физики случайно нашли возможное доказательство существования темной материи.