Az atomok titkos kvantumtánca végre leleplezve

A tudósoknak most először sikerült közvetlenül megfigyelniük az atomok rejtett, örökké tartó vibrációját a molekulákban. Az Európai XFEL, a világ legerősebb röntgenlézere segítségével sikerült rögzíteniük ezt a kvantumjelenséget, amely során az atommagok precíz, összehangolt mintázatokban mozognak – még akkor is, amikor elméletileg fagyott állapotban, a legalacsonyabb energiaszinten vannak.

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.

2025, adminboss, www.sciencedaily.com alapján