Учени от университета "Гьоте" във Франкфурт са измерили директно движението на атомите в нулевата точка в молекули, вкарани в най-ниското им квантово енергийно състояние - постижение, което екипът твърди, че преди това е било смятано за невъзможно.
За повечето от нас е трудно да схванем квантовия свят. Според принципа на неопределеността на Хайзенберг, това е като да наблюдаваш танц, без да можеш едновременно да виждаш точно къде танцува някой и колко бързо се движи – винаги трябва да избереш да се фокусираш върху едното.
И все пак, този квантов танц далеч не е хаотичен - танцьорите следват строга хореография. В молекулите това странно поведение има друго последствие: Дори ако една молекула е напълно замръзнала на абсолютната нула, тя никога не спира да се движи напълно. Атомите, от които е съставена, изпълняват постоянен, безкраен тих танц, задвижван от така наречената енергия на нулевата точка.
Първо директно измерване на корелирано движение на нулевата точка
Въпреки че движението и енергията в нулева точка е било предсказано от квантовата физика, класическата физика все още не може да обясни как това движение може да се случи в системи, лишени от топлинна енергия.
В класическата физика молекулите без топлинна енергия – като тези при абсолютна нула – теоретично би трябвало да останат напълно неподвижни. Съвременните изследвания обаче показват, че атомите, които изграждат молекулите, остават в движение дори в това състояние. Това движение в нулева точка се дължи на енергията на нулевата точка, минималната енергия, разрешена от квантовата механика дори в основно състояние (състояние на най-ниска енергия).
Въпреки че движението в нулева точка и теоретичната енергия, движеща това движение, могат да бъдат характеризирани от квантовата физика, директното измерване на това движение се смята за невъзможно. Наред с цената и сложността на охлаждането на пробите до абсолютна нула, главната пречка за измерване на движението в нулева точка е основна концепция в квантовата физика, Принципът на неопределеността на Хайзенберг. Според Хайзенберг е невъзможно едновременно да се измери местоположението и скоростта на квантовите частици.
"Все едно да наблюдаваш танц, без да можеш едновременно да виждаш точно къде танцува някой и колко бързо се движи – винаги трябва да избираш да се фокусираш върху едното", обясняват авторите на изследването.
Изследователите също така отбелязват, че измерването на свойствата на множество атоми в една молекула може да бъде предизвикателство, особено за молекули, съдържащи два или три атома. В йодопиридина, молекулата, която екипът е избрал да изследва, има единадесет атома, вибриращи в 27 различни режима, което прави задачата още по-сложна.
За да постигнат невъзможното, изследователите използват най-големия рентгенов лазер в света, европейския XFEL в Хамбург, Германия. С помощта на техника, наречена Coulomb Explosion Imaging, те насочват високоенергийния лазер да бомбардира йодопиридинова проба с ултракъси, високоинтензивни рентгенови импулси. Тези лазерни импулси задействат молекулите да претърпят контролирана експлозия, което позволи на екипа да заснеме изображения с висока резолюция на основната им структура.
Екипът обяснява, че мощен рентгенов импулс "избива много електрони от молекулата", карайки атомите да се заредят положително. Това новозаредено положително заредено състояние кара атомите да се отблъскват взаимно и да се разлетят "за части от трилионна част от секундата". През този кратък интервал, специален апарат измерва времето на удара на атома и неговата позиция, което позволява на екипа да реконструира оригиналната структура на молекулата.
Така експериментът улавя движението на атомите в нулевата точка. Екипът отбелязва, че чрез улавянето на този "танц на атомите" те разкриват точната хореография на всеки атом и нещо друго неочаквано: атомите сякаш танцуват координирано, те вибрират по свързан начин, следвайки фиксирани модели.
Екипът измерва директно това поведение за първи път в отделни молекули със среден размер, които са в най-ниското си енергийно състояние.
В заключението на изследването, авторите отбелязват, че екипът непрекъснато усъвършенства метода си и вече планира следващата серия от експерименти с нулево движение - да наблюдават и танца на електроните – хореография, която е значително по-бърза и също така е повлияна от движението на атомите.
Справка: Benoît Richard et al, Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu2637. www.science.org/doi/10.1126/science.adu2637
Източник: Direct visualization of quantum zero-point motion in complex molecule reveals eternal dance of atoms, Goethe University Frankfurt am Main
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици