Fizycy odtworzyli pełny orbital elektronu w 3D. Obraz pokazuje szczegóły mniejsze niż odległość między atomami.
Elektron nie jest maleńką kulką, którą można po prostu ot tak sobie złapać w kadrze przy odpowiednio dużym powiększeniu. W cząsteczce opisuje go funkcja falowa, czyli matematyczna mapa prawdopodobieństwa, której nie da się bezpośrednio zobaczyć ani zmierzyć. Fizycy z Getyngi znaleźli jednak sposób, by odtworzyć ją w trzech wymiarach. Zrobili to na urządzeniu mieszczącym się w laboratorium, a nie w ogromnym synchrotronie.
Najpierw wybili elektrony światłem
W doświadczeniu wykorzystano PTCDA, czyli płaską cząsteczkę organiczną stosowaną przy produkcji czerwonych barwników i badaną jako materiał półprzewodnikowy. Ułożono jej uporządkowaną warstwę na srebrze, dzięki czemu miliony identycznych cząsteczek znajdowały się w tej samej orientacji.
Zespół oświetlił próbkę ultrakrótkimi impulsami ekstremalnego ultrafioletu. Foton przekazywał elektronowi energię wystarczającą do opuszczenia cząsteczki. Następnie mikroskop pędu rejestrował energię oraz kierunek, w którym wybity elektron odleciał. Pomiar nie śledził więc elektronu pozostającego w orbitalu. Badał cząstki wybite z wielu identycznych molekuł, a ich rozkład zachowywał ślad funkcji falowej, z której wyleciały.
Jeden pomiar dawał tylko fragment informacji, który był podobny do pojedynczego przekroju w tomografii. Badacze powtarzali doświadczenie z fotonami o różnych energiach. Za każdym razem rejestrowali inną warstwę rozkładu pędu elektronu, a następnie składali wszystkie dane w trójwymiarową bryłę.
Aparatura nie przechwytywała jednak całej informacji potrzebnej do rekonstrukcji. Brakującą fazę funkcji falowej odtwarzał specjalny algorytm, sprawdzając przy tym, jaki orbital mógł wytworzyć zarejestrowane dane. Czerwone i niebieskie płaty na gotowym obrazie pokazują właśnie przeciwną fazę, a nie różne rodzaje elektronów.
Szczegóły mniejsze niż odległość między atomami
Rekonstrukcja osiągnęła rozdzielczość poniżej jednego angstremu. To mniej niż typowa odległość między atomami węgla w cząsteczce. Nie jest to oczywiście fotografia wykonana obiektywem. Obraz powstał z pomiarów pędu elektronów i obliczeń, podobnie jak tomografia komputerowa składa przestrzenny model wnętrza człowieka z wielu projekcji. Tutaj rekonstruowany obiekt sam jest jednak wielkością kwantową, której nie można po prostu wystawić przed kamerę.
Wcześniejsze eksperymenty potrafiły odtwarzać orbitale w 3D, ale wymagały dostępu do synchrotronów, czyli wielkich i kosztownych instalacji. Zespół z Getyngi wykorzystał przestrajalne źródło promieniowania stojące u nich w laboratorium. Impulsy powstawały dzięki generowaniu wysokich harmonicznych lasera. Równie istotny okazał się sam algorytm, który radzi sobie z dużo mniejszą liczbą pomiarów. Skrócenie eksperymentu otwiera drogę do badania stanów zmieniających się bardzo szybko.
Jak pisaliśmy przy okazji mikroskopu pokazującego pojedyncze atomy w trzech wymiarach, współczesne obrazowanie coraz częściej łączy precyzyjny pomiar z algorytmem odtwarzającym to, czego przyrząd nie widzi bezpośrednio. Komputer nie dorysował tu jednak dowolnego kształtu. Musiał znaleźć rozwiązanie zgodne z danymi i mechaniką kwantową.
Następnym krokiem będzie film z reakcji chemicznej
Laser wytwarza impulsy trwające femtosekundy, czyli biliardowe części sekundy. W podobnej skali elektrony przemieszczają się w cząsteczkach, a wiązania zaczynają się tworzyć lub rozpadać.
Obecny eksperyment pokazał statyczne orbitale. Docelowo układ ma działać jak kwantowa lampa stroboskopowa. Pierwszy impuls pobudzi cząsteczkę, a drugi wykona pomiar po dokładnie ustalonym czasie. Powtarzając doświadczenie z różnymi opóźnieniami, naukowcy mogliby złożyć serię trójwymiarowych klatek.
Nie zobaczymy oczywiście elektronu biegnącego po wyznaczonej ścieżce. Zobaczymy, jak zmienia się jego orbital, gdy cząsteczka pochłania światło, przekazuje ładunek albo rozpoczyna reakcję. Takie filmy mogłyby pomóc w projektowaniu paneli słonecznych, organicznych diod i materiałów przełączanych impulsem światła.
Mechanika kwantowa od dawna przewidywała kształty orbitali, a chemicy rysują je w podręcznikach od pokoleń. Nowa technika pozwala jednak odtworzyć pełną funkcję falową konkretnego układu bez wielkiej instalacji i bez opierania obrazu wyłącznie na obliczeniach teoretycznych.
Jak pokazywał eksperyment, w którym metaliczna nanocząstka zachowała kwantową naturę i przeszła przez dwie drogi jednocześnie, intuicja w mikroświecie gwałtownie zawodzi. Elektron przez cały czas nie dał się sfotografować jak pyłek pod mikroskopem. Fizycy zmierzyli ślady wybitych cząstek i odtworzyli mapę, której natura nie pozwala zobaczyć wprost.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
