211service.com
Billeddannelse af elektronernes kvantebevægelse ved hjælp af lys
I årtier har fysikere studeret, hvordan en elektron burde binde sig til en proton, det enkleste atomsystem. De fascinerende mønstre af brint-orbitaler, der dannes ved forskellige energiniveauer, er statiske objekter, beregnet ved detaljeret computermodellering. De er øjebliksbilleder af brintatomer frosset i tid.
Men de mest avancerede computermodeller kan også beregne, hvordan brintatomer ser ud, når de skifter fra en tilstand til en anden, hvordan orbitalerne ændrer form, hvordan de kombinerer og overlejrer sig. Resultaterne er videoer af brint-orbitaler i bevægelse-kvantebevægelse.
Men alt det er kun teori. Ingen ved, hvordan brintatomer ser ud i praksis, fordi det er umuligt at fotografere elektroner med lys, endsige lave film af dem i aktion. Ret?
Ikke helt. I de senere år har fysikere lært, hvordan man genererer lysimpulser, der er små nok og korte nok til at skille strukturen af et brintatom fra hinanden. Disse impulser består af røntgenstråler i pakker, der kun er nogle få bølgelængder lange.
I de næste par år burde denne teknik være i stand til at lave film med en opløsning på omkring en ångstrøm og en billedhastighed på et billede pr. femtosekund. Det er mere end godt nok til at vise bevægelsen af brint-orbitaler.
Så hvordan vil disse bevægelser se ud? Fysikere har standardteknikker til at beregne, hvordan røntgenstråler spreder atomer. Ideen her er, at de forbereder et ensemble af brintatomer i en specifik tilstand eller kombination af tilstande ved hjælp af en konventionel laserpuls.
Kort tid senere zapper de så atomerne med pakker af røntgenstråler og måler, hvordan de er spredt. Dette giver et øjebliksbillede af brintatomet på det tidspunkt.
For at opbygge en film tager de endnu et billede, men denne gang er der lidt ekstra tid mellem forberedelsespulsen og billedpulsen. Og så videre. Dette producerer en film af elektronernes kvantebevægelse i kredsløb omkring en proton.
Problemet er selvfølgelig, at en pakke røntgenstråler uundgåeligt ændrer elektronorbitalerne og forvrænger formen på brintatomet, mens det afbildes. Det er denne forvrængning, der gør kvantebilleddannelse så besværlig.
Faktisk er det så komplekst, at fysikere simpelthen har ignoreret det; eller i det mindste overbevist sig selv om, at det er ubetydeligt. De eneste beregninger, de nogensinde har lavet for at modellere elektronernes kvantebevægelse, antager, at røntgenstrålerne ikke ændrer elektronernes adfærd på nogen måde.
I dag ændrer det sig takket være Gopal Dixits arbejde ved Center for Free-Electron Laser Science ved DESY i Hamborg og et par venner.
Disse fyre har fundet ud af, hvordan røntgenstråler burde påvirke formen af et brintatom og beregnet, hvordan en video af elektronernes kvantebevægelse ville se ud.
Figuren ovenfor viser resultaterne som en række rammer. Den midterste række viser, hvordan elektronorbitaler ændrer sig, når de er i en superposition af 3d- og 4f-orbitaler. Den nederste række viser forudsigelsen i henhold til den eksisterende tilgang – og det er den også ret uinteressant.
Den øverste række viser derimod, hvordan billederne ville se ud, hvis man antager, at røntgenstråler forvrænger orbitalerne. De viser tydeligt den form for asymmetri, som røntgenbilleder ville introducere, noget som den eksisterende tilgang simpelthen ikke tillader.
Det er vigtigt, fordi den slags videoer burde være mulige at lave i de kommende måneder og år. Det vil være afgørende at vide, hvordan man fortolker dem.
Og brintatomer vil kun være begyndelsen. Det varer ikke længe, før vi har videoer af elektronernes kvantebevægelser i mere komplekse molekyler, måske endda i selve biomolekylerne. Når det sker, vil vi se på selve livets kvantebevægelse.
Ref: arxiv.org/abs/1207.4565 : Billeddannelse af elektronisk kvantebevægelse med lys