Ученые впервые увидели «квантовый танец» молекул
Мир квантовой механики полон загадок, которые бросают вызов нашему повседневному восприятию реальности. Одна из самых удивительных особенностей этого мира — даже в состоянии полного покоя, при абсолютном нуле температуры, молекулы никогда не останавливаются. Их атомы продолжают двигаться, подчиняясь странным и строгим законам квантовой физики. Этот «танец» обусловлен так называемой энергией нулевых колебаний — минимальной энергией, которую невозможно отнять у системы.
Долгое время считалось, что напрямую измерить это движение невозможно. Однако международной группе ученых, включая исследователей из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гете, удалось совершить прорыв. С помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера European XFEL они впервые зафиксировали согласованные колебания атомов в молекуле, раскрыв их точную «хореографию».
Как увидеть невидимое? Метод кулоновского взрыва
Чтобы запечатлеть движение атомов, ученые использовали метод визуализации кулоновского взрыва. Суть его заключается в том, что молекулу облучают сверхкороткими, но чрезвычайно интенсивными рентгеновскими импульсами. Эти импульсы выбивают из молекулы множество электронов, превращая ее в облако положительно заряженных ионов. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, молекула буквально взрывается за триллионные доли секунды.
Однако этот «взрыв» не хаотичен — разлетающиеся фрагменты сохраняют информацию о первоначальном расположении атомов. Специальный детектор, реакционный микроскоп COLTRIMS, фиксирует траектории этих осколков, позволяя ученым восстановить структуру молекулы до момента разрушения. Этот метод, разработанный во Франкфурте, стал ключом к прямому наблюдению квантовых колебаний.
Сложная хореография молекул: от балета до танго
До сих пор подобные исследования ограничивались простыми молекулами из двух-трех атомов. Но в этот раз ученые изучали йодопиридин — молекулу среднего размера, состоящую из 11 атомов. У такой системы уже есть целый «репертуар» колебательных мод — 27 различных вариантов движения, которые можно сравнить с разными танцами: от плавного балета до энергичного танго.
Профессор Тилль Янке, один из авторов исследования, объясняет:
«Самое интересное — мы увидели, что атомы вибрируют не хаотично, а согласованно, следуя строгим квантовым закономерностям. Это чисто квантовый эффект, который невозможно объяснить классической физикой.»
Успех этого эксперимента открывает новые горизонты в изучении квантового мира. Ученые уже планируют следующие шаги:
- Наблюдать не только за движением атомов, но и за электронами, чья «хореография» происходит в тысячи раз быстрее.
- Создавать «молекулярные фильмы» — последовательности снимков, которые покажут, как меняется структура молекул в реальном времени.
Как отмечает доктор Грегор Кастирке, один из разработчиков COLTRIMS,
«Этот результат — плод многолетней работы. Видеть, как наша методика позволяет делать такие открытия, — невероятно вдохновляет.»
Квантовый мир постепенно раскрывает свои тайны, и, возможно, вскоре мы сможем не только «разглядеть» его странные законы, но и научиться использовать их в новых технологиях — от сверхточных сенсоров до квантовых компьютеров. А пока ученые продолжают следить за завораживающим «танцем» атомов, который не прекращается даже в полной тишине абсолютного нуля.