Ученые впервые запечатлели квантовый танец атомов
Нулевым колебательным движением атомов называется квантовый феномен, при котором даже при абсолютном нуле молекулы не замирают, а продолжают совершать едва заметные вибрации. В квантовом мире действует принцип неопределенности Гейзенберга: нельзя одновременно с абсолютной точностью узнать положение частицы и ее скорость. Но это не означает хаос — наоборот, атомы и молекулы движутся по строгим законам, словно исполняют сложный танец. И 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.
Команда физиков из Франкфуртского университета им. Гете под руководством профессора Тилля Янке смогла «увидеть» этот процесс в молекулах йодпиридина, состоящих из одиннадцати атомов благодаря крупнейшему в мире рентгеновскому лазеру European XFEL, который находится в Гамбурге. В отличие от простых двух- или трехатомных молекул, где вибрации можно описать сравнительно легко, здесь они складываются в 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 нельзя объяснить с точки зрения классической физики».
Чтобы зафиксировать эти движения, ученые применили методику, известную как «изображение кулоновского взрыва». Молекулу облучают сверхкороткими и мощными импульсами рентгеновского лазера, выбивая из нее 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 — создавался во Франкфурте десятилетиями и был адаптирован для работы с XFEL доктором Грегором Кастирке.
Любопытно, что данные для этого открытия были получены еще в 2019 году в рамках эксперимента с другой целью. Лишь спустя два года, при участии теоретиков из Центра физики лазеров на свободных электронах в Гамбурге, стало ясно, что в результатах скрыты следы нулевых колебаний. Новые методы анализа, предложенные коллегами, позволили «разглядеть» сложные согласованные вибрации.
Следующая цель ученых — снять «короткометражку» не только о танце атомов, но и об еще более быстром и сложном танце электронов, который переплетается с движениями атомного каркаса молекулы. Если это удастся, физики смогут наблюдать квантовую хореографию в деталях, которые раньше казались недостижимыми.
