Внутри молекул волновые функции электронов называются молекулярными орбиталями и содержат ценную информацию о поведении молекулы, в том числе о поглощении ею света и протекании химических реакций. Однако получить полную трехмерную картину волновой функции до сих пор было чрезвычайно сложно.
Междисциплинарная команда специалистов Геттингенского университета впервые в истории успешно получила изображение трехмерной волновой функции органической молекулы размером всего в несколько нанометров. Ученые добились этого, объединив передовую фотоэлектронную спектроскопию и сложные математические алгоритмы.
«Волновая функция — это фундаментальная величина в квантовой механике, но ее нельзя непосредственно наблюдать или измерить», — объясняет профессор Стефан Матиас из Геттингенского университета. Поскольку саму волновую функцию измерить невозможно, ученые использовали косвенный метод — фотоэлектронную спектроскопию. Этот метод измеряет импульс электронов, испускаемых молекулой, предоставляя доступ к одной половине волновой функции без физического изменения ее состояния. Затем продвинутые компьютерные алгоритмы восстановили недостающую половину, что позволило получить изображение полной молекулярной орбитали с разрешением меньше расстояния между атомами углерода в молекуле.
До сих пор расширение этого подхода до трех измерений требовало длительных измерений на крупных синхротронных установках, что делало метод труднодоступным и особенно затрудняло создание трехмерных «видео» динамических волновых функций на атомных масштабах.
«Мы вели две мощных инновации, — отмечает руководитель исследования, доктор Маттейс Янсен. — Во-первых, полностью переработали компьютерный алгоритм, поэтому теперь можно получать надежные 3D-изображения, используя гораздо меньше экспериментальных данных. Во-вторых, эксперимент основан на мощном лабораторном источнике мягкого рентгеновского излучения, который обеспечивает ультракороткие световые импульсы. Именно сочетание этих двух методов дает такой замечательный результат».
Первый автор исследования, доктор Вибке Беннеке добавляет: «Стробоскопическая видеосъемка становится реальностью, позволяя нам не только наблюдать форму волновых функций, но и видеть, как она меняется с ультрабыстрым, вплоть до фемтосекундного, разрешением». Такие наблюдения позволяют увидеть, как молекулы реагируют на свет, электронные эффекты и химические изменения, потенциально открывая для науки новые способы понимания и контроля взаимодействий на уровне отдельных атомов.
Ранее физики создали крошечный «Большой взрыв» с удивительно малыми атомными ядрами.