Avbildning av elektronernas kvantrörelse med hjälp av ljus

I decennier har fysiker studerat hur en elektron borde binda till en proton, det enklaste atomsystemet. De fascinerande mönstren av väteorbitaler som bildas vid olika energinivåer är statiska objekt, beräknade genom detaljerad datormodellering. De är ögonblicksbilder av väteatomer frusna i tiden.

Men de mest avancerade datormodellerna kan också beräkna hur väteatomer ser ut när de växlar från ett tillstånd till ett annat, hur orbitalerna ändrar form, hur de kombineras och överlagrar. Resultaten är videor av väteorbitaler i rörelse–kvantrörelse.

Men allt detta är bara teori. Ingen vet hur väteatomer ser ut i praktiken eftersom det är omöjligt att fotografera elektroner med ljus, än mindre göra filmer av dem i aktion. Höger?

Inte riktigt. Under de senaste åren har fysiker lärt sig hur man genererar ljuspulser som är tillräckligt små och korta nog för att reta isär strukturen hos en väteatom. Dessa pulser består av röntgenstrålar i paket som bara är några få våglängder långa.

Under de närmaste åren borde denna teknik kunna göra filmer med en upplösning på ungefär en ångström och en bildhastighet på en bild per femtosekund. Det är mer än bra nog för att visa väteorbitalers rörelse.

Så hur kommer dessa rörelser att se ut? Fysiker har standardtekniker för att beräkna hur röntgenstrålar sprider atomer. Tanken här är att de förbereder en ensemble av väteatomer i ett specifikt tillstånd, eller kombination av tillstånd, med hjälp av en konventionell laserpuls.

En kort tid senare zappar de sedan atomerna med paket av röntgenstrålar och mäter hur de är utspridda. Detta ger en ögonblicksbild av väteatomen i det ögonblicket.

För att bygga upp en film tar de ytterligare en bild men den här gången lämnar det lite extra tid mellan förberedelsepulsen och bildpulsen. Och så vidare. Detta producerar en film av elektronernas kvantrörelse i omloppsbana runt en proton.

Problemet är naturligtvis att ett paket med röntgenstrålar oundvikligen förändrar elektronorbitalerna, vilket förvränger formen på väteatomen när den avbildas. Det är denna förvrängning som gör kvantavbildning så besvärlig.

Faktum är att det är så komplicerat att fysiker helt enkelt har ignorerat det; eller åtminstone övertalat sig själva att det är försumbart. De enda beräkningar de någonsin har gjort för att modellera elektronernas kvantrörelser antar att röntgenstrålningen inte förändrar elektronernas beteende på något sätt.

Idag förändras det tack vare Gopal Dixits arbete vid Center for Free-Electron Laser Science vid DESY i Hamburg och ett par kompisar.

De här killarna har räknat ut hur röntgenstrålar borde påverka formen på en väteatom och beräknat hur en video av elektronernas kvantrörelser skulle se ut.

Figuren ovan visar resultaten som en serie bildrutor. Den mellersta raden visar hur elektronorbitaler förändras i en superposition av 3d- och 4f-orbitaler. Den nedre raden visar förutsägelsen enligt det befintliga tillvägagångssättet – och ganska ointressant är det också.

Den översta raden visar däremot hur bilderna skulle se ut om man antar att röntgenstrålar förvränger orbitalen. De visar tydligt vilken typ av asymmetri som röntgenbilder skulle introducera, något som det befintliga tillvägagångssättet helt enkelt inte tillåter.

Det är viktigt eftersom den här typen av videor borde vara möjliga att göra under de kommande månaderna och åren. Att veta hur man tolkar dem kommer att vara avgörande.

Och väteatomer kommer bara att vara början. Det kommer inte att dröja länge innan vi har videor av elektronernas kvantrörelse i mer komplexa molekyler, kanske till och med i själva biomolekylerna. När det händer kommer vi att titta på själva livets kvantrörelse.

Ref: arxiv.org/abs/1207.4565 : Imaging Electronic Quantum Motion With Light

Dölj