До этого момента наблюдать данное движение было невозможно.
Нулевое колебательное движение атомов представляет собой квантовый феномен, при котором даже при абсолютном нуле молекулы продолжают совершать едва заметные вибрации. В квантовом мире действуют принципы неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно с абсолютной точностью определить местоположение частицы и её скорость. Однако это не означает, что все происходит хаотично — напротив, атомы и молекулы движутся по строгим законам, словно исполняют сложный танец. Даже если молекула полностью замерзнет при абсолютном нуле, она никогда не достигнет полного покоя. Атомы, из которых она состоит, будут продолжать свой «танец», движимый так называемой энергией нулевой точки.
Группа физиков из Франкфуртского университета имени Гёте под руководством профессора Тилля Янке смогла «увидеть» этот процесс в молекулах йодпиридина, состоящих из одиннадцати атомов, благодаря крупнейшему в мире рентгеновскому лазеру European XFEL, расположенного в Гамбурге. В отличие от простых двух- или трехатомных молекул, где вибрации можно описать относительно легко, в данном случае они составляют целый набор из 27 различных «движений» — от мягких колебаний до резких. Янке поясняет: «Мы обнаружили, что атомы вибрируют не изолированно, а согласованно, образуя фиксированные схемы. Это чисто квантовое явление, которое невозможно объяснить с точки зрения классической физики».
Для того чтобы зафиксировать эти движения, ученые использовали методику, известную как «изображение кулоновского взрыва». Молекулу облучают сверхкороткими и мощными импульсами рентгеновского лазера, выбивая из неё множество электронов. Положительно заряженные атомы начинают отталкиваться и разлетаются за триллионные доли секунды. Специальный детектор фиксирует время и точку удара каждого фрагмента, что позволяет восстановить исходную структуру молекулы в момент взрыва. Аппарат для таких измерений — реакционный микроскоп COLTRIMS — разрабатывался во Франкфурте на протяжении десятилетий и был адаптирован для работы с XFEL доктором Грегором Кастирке.
Интересно, что данные для этого открытия были собраны ещё в 2019 году во время эксперимента с другой целью. Лишь спустя два года, благодаря участию теоретиков из Центра физики лазеров на свободных электронах в Гамбурге, стало очевидно, что в результатах скрыты следы нулевых колебаний. Новые методы анализа, предложенные коллегами, позволили «разглядеть» сложные согласованные вибрации.
Следующая задача ученых — снять «короткометражку» не только о танце атомов, но и об ещё более быстром и сложном танце электронов, который переплетается с движениями атомного каркаса молекулы. Если это удастся, физики смогут наблюдать квантовую хореографию в деталях, которые ранее казались недостижимыми.
Ученые ранее заморозили квантовое движение без охлаждения.
Фото: hi-tech.mail.ru