Немецкие ученые впервые получили трехмерное изображение поведения электрона в органической молекуле. Разработанный метод открывает перспективу создания фемтосекундных видеороликов, способных запечатлеть химические реакции в реальном времени.
Согласно квантовой механике, фундаментальные частицы, такие как электроны, не имеют фиксированной пространственной координаты. Их состояние описывается волновой функцией, которая позволяет рассчитать распределение вероятностей для таких параметров, как положение или импульс. В случае молекул эти волновые функции, называемые молекулярными орбиталями, содержат основную информацию о свойствах вещества — например, о способности поглощать свет или вступать в химические реакции.
Получение полной трехмерной волновой функции остается сложной экспериментальной задачей. Ученые из Германии сообщили о визуализации трехмерной волновой функции органической молекулы размером порядка нанометра. Для решения задачи исследователи применили комбинацию методов фотоэлектронной спектроскопии и математических алгоритмов.
Волновая функция не поддается прямому наблюдению или измерению. Вместо этого ученые использовали косвенный подход. С помощью фотоэлектронной спектроскопии они измерили импульсы электронов, покидающих молекулу, что дало доступ к части информации о волновой функции. Недостающие данные были восстановлены при помощи компьютерных алгоритмов, что позволило визуализировать полную молекулярную орбиталь с детализацией, превышающей межатомные расстояния в молекуле.
Ранее подобные трехмерные измерения требовали длительных экспериментов на крупных синхротронных установках, что ограничивало их доступность и не позволяло изучать динамические изменения волновых функций с высоким временным разрешением.
Авторы работы предложили две новые концепции. Во-первых, модифицированный компьютерный алгоритм позволяет получать достоверные трехмерные изображения, используя меньший объем экспериментальных данных. Во-вторых, эксперимент проводился с применением лабораторного источника мягкого рентгеновского излучения, генерирующего сверхкороткие импульсы. Именно сочетание этих двух факторов обеспечило достигнутый результат.
Разработанный метод может открыть путь к стробоскопической видеосъемке, позволяя наблюдать не только статическую форму волновых функций, но и их изменения с временным разрешением вплоть до фемтосекунд. Это даст возможность изучать, как молекула реагирует на оптические, электронные или химические воздействия, и может способствовать поиску новых способов управления такими взаимодействиями на уровне отдельных атомов.
В качестве примера в публикации представлено трехмерное изображение молекулы PTCDA, используемой в производстве красных красителей. На снимке показана так называемая высшая занятая молекулярная орбиталь, а также ее сечения с шагом в 1 ангстрем от центра молекулы.
Читайте также: Разработана сенсорная кожа для подводных аппаратов с функцией самовосстановления.