Дослідники з Університету Геттінгена зробили крок до прямого «погляду» на один із найзагадковіших об’єктів квантової механіки — хвильову функцію електронів у молекулі. За допомогою вимірювань фотоелектронів і нового комп’ютерного алгоритму їм вдалося відновити її тривимірну структуру з надзвичайною деталізацією.
Хвильова функція описує ймовірні властивості частинки, зокрема її положення та імпульс. У молекулах відповідні електронні стани називають молекулярними орбіталями. Вони визначають, як речовина взаємодіє зі світлом і як можуть відбуватися хімічні реакції.
Як «побачили» те, що не можна виміряти
Безпосередньо зафіксувати хвильову функцію неможливо, тому науковці використали фотоелектронну спектроскопію. Вона дозволяє виміряти імпульс електронів, які залишають молекулу під дією світла.
Потім спеціально розроблений алгоритм математично відновив відсутню частину інформації. У результаті команда отримала повну 3D-реконструкцію молекулярної орбіталі й навіть змогла розрізнити деталі, менші за відстань між атомами вуглецю.
Наступний крок — квантове відео
Раніше подібні тривимірні вимірювання вимагали тривалих експериментів на великих синхротронних установках. Новий підхід значно скорочує обсяг необхідних даних, а дослідження можна проводити за допомогою лабораторного джерела м’якого рентгенівського випромінювання з надкороткими імпульсами.
У майбутньому це може дозволити не просто отримувати статичні зображення, а спостерігати, як хвильова функція молекули змінюється в часі. Йдеться про масштаби фемтосекунд — квадрильйонних часток секунди.
Такі «квантові фільми» можуть показати, як молекули реагують на світло, електричні впливи та хімічні зміни, відкриваючи нові можливості для вивчення й контролю матерії на атомному рівні.