Физики впервые получили видеозапись вращения молекулы

Представьте себе, что вы пытаетесь снять событие, которое продолжается всего 125 триллионных долей секунды. Это то, о чем молекулярные физики давно мечтали, и наконец кажется, что они достигли своей цели.

Используя точно настроенные импульсы лазерного света, международная команда ученых из четырех различных учреждений сумела снять сверхбыстрое вращение молекулы.

«Мы записали молекулярный фильм с высоким разрешением сверхбыстрого вращения карбонилсульфида в качестве пилотного проекта», — сказал физик Эвангелос Карамацкос из DESY, крупнейшего ускорительного центра Германии.

«Уровень детализации, которого мы смогли достичь, указывает на то, что наш метод может быть использован для создания поучительных фильмов о динамике других процессов и молекул».

Видео ниже представляет 651 изображение, собранное последовательно, чтобы покрыть полтора поворота молекулы карбонилсульфида. Конечный продукт — это 125 пикосекундная запись вращения молекулы, замедленная для удобного просмотра.

Нельзя отрицать его красоту, но кадры еще более великолепны, когда вы понимаете, на что именно вы смотрите.

Когда вещество находится в газообразном состоянии, молекулы находятся относительно далеко друг от друга и поэтому могут свободно вращаться вокруг своих осей. Это вращение подчиняется правилам квантовой механики.

Будучи простым и распространенным газом серы, карбонильный сульфид в форме стержня, молекулы которого состоят из одного кислорода, одного углерода и одного атома серы, является идеальной моделью вращения.

Но глава исследовательской группы, физик Йохен Кюппер, говорит, что вы не должны думать об этой молекуле, вращающейся как волчок.

«Процессы, которые мы наблюдаем здесь, регулируются квантовой механикой. В этом масштабе очень маленькие объекты, такие как атомы и молекулы, ведут себя не так, как обычные объекты в нашем окружении», — объясняет Кюппер, который работает в Гамбургском университете и DESY.

«Положение и импульс молекулы не могут быть определены одновременно с наивысшей точностью; вы можете определить только определенную вероятность нахождения молекулы в определенном месте в определенный момент времени».

Даже когда молекула указывает в нескольких направлениях одновременно, у каждого из них есть различная вероятность согласно квантовой механике.

«Именно эти направления и вероятности мы экспериментально изобразили в этом исследовании», — говорит молекулярный исследователь Арно Рузе из Института Макса Борна в Берлине. «Из того факта, что эти отдельные изображения начинают повторяться примерно через 82 пикосекунды, мы можем определить период вращения молекулы карбонилсульфида».

Чтобы заставить молекулы газа двигаться в унисон, команда сначала использовала два импульса инфракрасного лазерного излучения, точно настроенных друг на друга так, чтобы они пульсировали каждые 38 триллионных долей секунды (пикосекунд).

Следующий шаг затем включал дополнительный лазерный импульс с большей длиной волны, который использовался для определения положения молекул с интервалами примерно 0,2 триллионных долей секунды.

Весь процесс был кропотливой работой, так как этот последний импульс разрушает молекулы. Таким образом, каждый снимок представляет собой новый эксперимент, начинающийся заново.

Авторы надеются, что их новая методика может помочь нам изучить другие молекулы и процессы, такие как внутреннее скручивание, которое происходит в молекулах или хиральных соединениях, которые представляют собой соединения, которые существуют в двух формах, каждая из которых является зеркальным отражением другой.

«Кроме того, достигнутая здесь очень высокая степень выравнивания без полей была бы чрезвычайно полезна для исследований в области стереохимии, а также для экспериментов по визуализации молекулярных кадров», — заключает группа ученых в своей работе. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.