Ученые из Университета Гёте во Франкфурте впервые напрямую измерили нулевое движение атомов в молекулах, находящихся в самом низком квантовом энергетическом состоянии. Это достижение, по словам исследователей, ранее считалось невозможным.
Хотя нулевое движение было предсказано квантовой физикой благодаря явлению, известному как «нулевая энергия», классическая физика до сих пор не может объяснить, как такое движение возможно в системах, лишенных тепловой энергии.
«Это нулевое движение — чисто квантовомеханический феномен, не имеющий классического объяснения», — заявил профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Университета Гёте во Франкфурте и Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.
Согласно классической физике, молекулы без тепловой энергии — например, при абсолютном нуле — должны оставаться абсолютно неподвижными. Однако современные исследования показывают, что атомы в молекулах продолжают двигаться даже в таком состоянии. Это нулевое движение связывают с нулевой энергией — минимальной энергией, допустимой квантовой механикой даже в основном состоянии.
Несмотря на то что квантовая физика описывает нулевое движение и энергию, которая его вызывает, прямое измерение этого явления долгое время считалось невозможным. Помимо сложностей, связанных с охлаждением образцов до абсолютного нуля, главным препятствием стал принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно ему, невозможно одновременно измерить положение и скорость квантовой частицы.
«Это как наблюдать танец, не имея возможности одновременно увидеть, где именно находится танцор и с какой скоростью он движется — вам всегда приходится выбирать что-то одно», — поясняют авторы исследования.
Кроме того, измерение свойств нескольких атомов в молекуле представляет сложность, особенно если молекула состоит из двух или трех атомов. В выбранном для исследования йодпиридине одиннадцать атомов колеблются в 27 различных режимах, что делает задачу еще сложнее.
Чтобы добиться невозможного, команда получила доступ к самому мощному в мире рентгеновскому лазеру — European XFEL в Гамбурге. Используя метод кулоновского взрывного изображения, ученые облучили образец йодпиридина сверхкороткими и высокоинтенсивными рентгеновскими импульсами. Это вызвало контролируемый «взрыв» молекул, позволивший зафиксировать их структуру с высоким разрешением.
Как объяснили исследователи, мощный рентгеновский импульс выбивает из молекулы множество электронов, из-за чего атомы приобретают положительный заряд и начинают отталкиваться друг от друга, разлетаясь за доли триллионной доли секунды. В этот краткий момент специальное устройство фиксирует время столкновения и положение атомов, что позволило восстановить исходную структуру молекулы.
Эксперимент подтвердил наличие нулевого движения атомов. Ученые не только зафиксировали этот «атомный танец», но и обнаружили неожиданный эффект: атомы двигались согласованно.
«Самое удивительное в нашей работе — мы увидели, что атомы не просто колеблются по отдельности, а следуют согласованным паттернам», — пояснил Янке. — «Мы впервые напрямую измерили такое поведение в отдельных молекулах среднего размера, находящихся в основном энергетическом состоянии».
Хотя полученные изображения нулевого движения стали прорывом, Янке отметил, что история этого открытия началась давно. Данные, использованные в исследовании, были собраны еще в 2019 году во время эксперимента с другой целью.
«Изначально мы проводили измерения под руководством Ребекки Болл в European XFEL, и тогда у нас была совершенно иная задача», — рассказал он. «Только два года спустя мы поняли, что наблюдаем признаки нулевого движения».
Доктор Грегор Кастирке, разработавший модифицированную версию реакционного микроскопа COLTRIMS для European XFEL, отметил, что участие в таком значимом открытии стало для него важным моментом.
«Видеть такие революционные результаты — это повод для гордости, ведь они стали возможны благодаря годам подготовки и слаженной командной работы», — сказал Кастирке.
В заключении исследования Янке подчеркнул важность сотрудничества с коллегами из Центра науки о свободно-электронных лазерах в Гамбурге. Бенуа Ришар и Людгер Инхестер разработали новые методы анализа, которые «вывели интерпретацию данных на совершенно новый уровень».
«Оглядываясь назад, понимаешь, как много элементов должно было идеально сложиться», — добавил Янке.
Ученый также сообщил, что команда продолжает совершенствовать метод и уже готовит новые эксперименты по изучению нулевого движения.
«Наша цель — выйти за рамки "атомного танца" и зафиксировать движение электронов — еще более быструю "хореографию", на которую влияет движение атомов», — объяснил он. «С нашим оборудованием мы сможем создавать настоящие "короткометражки" молекулярных процессов — то, что раньше казалось немыслимым».
Исследование было опубликовано в журнале .