Кот шредингера попал на рекордно детальное видео атомных движений

      Комментарии к записи Кот шредингера попал на рекордно детальное видео атомных движений отключены

Кот шредингера попал на рекордно детальное видео атомных движений

Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде взяли запись трансформаций, происходящих с возбужденной молекулой иода с временным и пространственным разрешением порядка 30 фемтосекунд и 0,3 ангстрема (в пять раз меньше, чем характерная протяженность химической связи). Это стало вероятно благодаря новому подходу к изучению таких совокупностей, созданному авторами. Детальный анализ данных разрешает четко выделить главные стадии разрыва молекулы.

Иллюстрация возбуждения молекул иода под действием лазерного излучения. SLAC

С целью достижения рекордно большого разрешения ученые применяли внутренний стандарт, с которым сравнивалось состояние совокупности. Данный стандарт есть одним из двух состояний суперпозиции «кота Шредингера», появлявшейся в молекулах иода. Ученые отмечают, что та же методика может применяеться при изучении превращений вторых малых молекул. Изучение принято к публикации в издании Physical Review Letters (препринт), коротко о нем информирует Gizmodo.

Наглядно показывает происхождение в совокупности «кота Шредингера» видео, размещённое на канале лаборатории.

Один из дорог сотрудничества вещества со светом — его поглощение. Наряду с этим энергия кванта света добавляется к собственной энергии молекулы вещества, поглотившего фотон. Это ведет к трансформациям в молекуле, она переходит в возбужденное электронное состояние. Время его жизни мало — как правило частицв переходит в более устойчивое состояние за миллиардные доли секунды либо кроме того стремительнее.

Довольно часто для этого молекулы испускают квант света обратно, но в некоторых случаях происходит разрыв химических связей. Такое явление стало называться фотодиссоциации.

Подробности механизма фотодиссоциации требуют весьма стремительных и правильных техник анализа состояния молекул. Один из лучших кандидатов для этого — рассеяние рентгеновских лучей. Фотоны рентгеновского диапазона владеют длиной волны, сопоставимой с размерами атома, и могут взаимодействовать с его электронной оболочкой.

В следствии изначально параллельный пучок формирует на детекторе пятно рассеяния, по форме которого ученые смогут вернуть подробности электронной структуры молекулы.

Чтобы разбирать эти сведенья с высоким разрешением, физикам нужен некий стандарт — сигнал, с которым возможно будет сравнивать пятно рассеяния возбужденной распадающейся молекулы. В ранних работах ученые применяли теоретические модели для изучения пятна рассеяния. В новой работе авторы в первый раз применяли в качестве внутреннего стандарта одно из двух состояний кота Шредингера, появлявшегося в опыте.

Растолковать происхождение кота Шредингера (обстановки, в то время, когда совокупность в один момент будет в двух состояниях и коллапсирует в одно из них при попытке измерения) возможно следующим образом. При облучении облака молекул светом только часть из них переходит в возбужденное состояние. До момента измерения нельзя сказать, какие конкретно частицы возбуждены, а какие конкретно нет.

В терминах квантовой механики, любая отдельная молекула оказывается в суперпозиции возбужденного и невозбужденного состояния и проявляет каждое из них с определенной возможностью.

В случае если после этого облучить такую совокупность рентгеновскими фотонами, то они будут взаимодействовать как с возбужденными, так и с невозбужденными состояниями. Физики растолковывают, что два типа рассеянного рентгеновского излучения (от возбужденных и невозбужденных частиц) интерферируют (складываются) между собой. В следствии на детекторе образуется характерная картина, анализ которой и раскрывает подробности перемещения атомов.

Ученые отмечают, что эта картина отличается от рассеяния рентгеновского излучения на смеси возбужденных и невозбужденных молекул и описывается вторыми уравнениями.

Слева — картина рентгеновского рассеяния, фиксируемая детектором, справа — ее восстановленный вариант по окончании компьютерной обработки J. M. на данный момент et al. / arXiv.org, 2016

Дабы проверить предложенный способ, физики применили его для изучения фотодиссоциации двухатомных молекул иода. В роли источника рентгеновского излучения выступал лазер на свободных электронах, генерировавший замечательные (50 гигаватт) импульсы длительностью 40 фемтосекунд (фемтосекунда — 10–15 секунды). Для возбуждения иода употреблялись менее замечательные импульсы зеленого лазера (400 милионов ватт, 50 фемтосекунд).

Собрав свыше миллиона картин рассеяния рентгеновских импульсов, ученые выстроили подробную картину механизма распада молекул иода.

В первые 100 фемтосекунд по окончании оптического импульса (свет за это время успевает пролететь пара десятков микрометров) ученые замечали усиление вибраций в молекулах иода. Полученные изображения разрешают кроме того частично различить эти вибрации. В один момент с колебаниями атомов физики зафиксировали сигнал диссоциации и измерили скорость удаления атомов друг от друга.

Она составила 16 ангстрем за одну пикосекунду (около полутора километров в секунду).

Распределение электронной плотности в молекуле в зависимости от времени. По оси ординат отложено расстояние между атомами иода. a — момент возбуждения молекулы, b — колебания атомов, с — диссоциация (разрыв молекулы), d — молекулы, не перешедшие через барьер диссоциации, e — возбужденное состояние иода. J. M. Glownia et al. / arXiv.org, 2016

Через 500–700 фемтосекунд по окончании оптического импульса в облаке иода существует маленькое количество молекул, приблизившихся к «точке невозврата» фотодиссоциации, но не превзошедших ее. Ученые в первый раз напрямую заметили эти частицы, до новой работы их существование было предсказано только теоретически. Через 1200 фемтосекунд возбужденные, но не распавшиеся молекулы иода достигают состояния, в котором протяженность связи между атомами приблизительно равна трем ангстремам.

В невозбужденном состоянии эта величина образовывает 2,67 ангстрема.

По словам ученых, новая техника окажет помощь в изучении превращений, происходящих с малыми молекулами в газовых либо жидких средах. Полученное разрешение возможно увеличено благодаря более высокоэнергетичным и идеальным рентгеновским лазерам. на данный момент на финальных стадиях сборки находится одна из таких установок — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах.

Лазеры на свободных электронах способны создавать маленькие импульсы твёрдого рентгеновского излучения. Благодаря им физики смогут изучать процессы, происходящие на масштабах атомов в молекулах. Так, в прошедшем сезоне исследователям из SLAC в первый раз удалось отследить разрыв единичной молекулы, а сравнительно не так давно ученые продемонстрировали взрыв ксеноновых нанокластеров с разрешением в 100 фемтосекунд.

Кроме этого посредством лазеров на свободных электронах исследователи заметили перемещение ударной волны в бриллианте.

Создатель: Владимир Королёв

Это интересно 541: Кот Шрёдингера


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: