Az örökös kvantumrezgés rejtélye
A klasszikus világban szinte felfoghatatlan, hogy egy atom sosem áll teljesen nyugalomban. Heisenberg bizonytalansági elvének értelmében a molekulák atomjai még abszolút nulla fokon sem pihennek, hanem egy állandó, csendes táncot járnak. Ezt a mozgást kvantum zérusponti energiának hívják, amely kizárólag kvantummechanikai törvényszerűségekkel magyarázható. Nem hagyható figyelmen kívül, hogy ez a koreográfia mindeddig láthatatlan maradt, hiszen a vibrációk közvetlen megfigyelése lehetetlennek tűnt.
Mérföldkő a közvetlen megfigyelésben
Ezzel szemben a Goethe Egyetem önálló fizikuscsoportja, hamburgi és heidelbergi intézmények együttműködésével, a világ legnagyobb röntgenlézerével képes volt egy-egy molekulát megvilágítani, és az atomok mozgásáról pillanatfelvételeket készíteni. Az általuk vizsgált jód-piridin egy közepes méretű, 11 atomból álló molekula, amelyben 27 különböző vibrációs mód létezik – a balettől a tangóig.
A robbanás módszere: kép a szerkezetről
A molekulák kvantumtáncának megörökítéséhez a Coulomb-robbanás képalkotási technikát alkalmazták. Az ultravékony, intenzív röntgenimpulzus annyi elektront lök ki a molekulából, hogy az atommagok pozitív töltése miatt taszítani kezdik egymást, és egymástól eltávolodva szétrepülnek. A töredékek keletkezésének időpontját és helyét egy speciális detektor rögzíti, így vissza lehet fejteni az eredeti szerkezetüket. Ez a COLTRIMS reakciós mikroszkóp, amelyet kifejezetten az Európai XFEL számára fejlesztettek tovább, és évtizedes kutatás eredménye.
Új távlatok a kvantumvilágban
A most kapott adatok teljesen új ablakot nyitnak a kvantumvilágra: először vált láthatóvá, hogyan alakulnak ki a zérusponti mozgás összetett mintázatai közepes méretű molekulákban. A módszer folyamatos fejlesztése lehetővé teszi, hogy a következő években ne csak az atomok, hanem az elektronok mozgását is „leforgassák”. A fentiek tükrében elképzelhető, hogy hamarosan valós időben követhetőek lesznek a molekuláris folyamatok – ami néhány éve még elképzelhetetlen volt.
