Учёные впервые зафиксировали движение электронов в реальном времени в момент разрыва химических связей
Учебники по химии обычно объясняют, как начинаются и заканчиваются реакции, но редко показывают, что происходит в промежуточный момент. Увидеть эти скрытые процессы крайне важно, поскольку химия в своей основе подчиняется квантовым законам. Прямое наблюдение за тем, как электроны и атомные ядра движутся вместе в реальном времени, позволяет проверить, действительно ли квантовая теория описывает химические реакции, и обнаружить эффекты, проявляющиеся только при образовании и разрыве связей.
До недавнего времени непосредственное наблюдение этих процессов казалось невозможным из-за сверхбыстрых скоростей перемещения электронов и перестройки атомов. Однако команде исследователей из Шанхайского университета Цзяо Тун удалось совершить значительный прорыв. Применив усовершенствованную методику сверхбыстрой электронной дифракции, учёные смогли получить изображения движения как электронов, так и атомных ядер в реальном пространстве в момент распада молекулы.
Традиционные дифракционные методы хорошо отслеживают движение более тяжёлых атомных ядер, но не могут детектировать тонкие изменения в электронной плотности. Авторы исследования преодолели эту проблему, выведя сверхбыструю электронную дифракцию на беспрецедентный уровень пространственного и временного разрешения. В эксперименте они сфокусировались на молекуле аммиака (NH₃), которая, несмотря на простоту, обладает богатой электронной динамикой.
Учёные использовали короткий лазерный импульс для возбуждения молекул аммиака. Этот импульс перевёл электрон с неподелённой электронной пары атома азота на орбиталь, ослабляющую химическую связь между атомами азота и водорода. Этот электронный скачок запустил структурные изменения: молекула изогнулась, и один атом водорода начал отделяться от азота. Чтобы зафиксировать последующие события, команда направила на возбуждённые молекулы сверхбыстрый импульс высокоэнергетических электронов. Рассеиваясь на электрических полях атомных ядер и окружающих электронов, эти зондирующие электроны формировали дифракционную картину, содержащую информацию о расположении зарядов внутри молекулы в каждый момент времени.
Ключевым аспектом работы стал метод анализа полученных сигналов — функция распределения электронных пар. Этот подход позволил разделить и визуализировать три типа взаимодействий одновременно: ядро–ядро, электрон–ядро и электрон–электрон. В результате стало возможным одновременно отображать, как смещаются валентные электроны и как движутся атомы водорода. Благодаря высокой чувствительности методики учёные смогли отследить даже движение водорода, что ранее было крайне сложной задачей из-за его слабого рассеяния электронов и высокой скорости.
Итогом стала картина в реальном времени и пространстве, показывающая, как изменяются электронные орбитали, эволюционирует электронная плотность и как атомы реагируют в процессе фоторазложения аммиака. Это достижение открывает новые возможности для химии и физики, демонстрируя, что метод способен напрямую детектировать перестройку валентных электронов, раскрывая истинную электронную активность, управляющую химическими реакциями. В перспективе это может углубить понимание механизмов реакций, переноса энергии и квантовых эффектов в молекулах.
В дальнейшем исследователи планируют усовершенствовать свой подход и применить его к другим молекулярным системам, включая сложные органические молекулы, чтобы продемонстрировать универсальную способность электронной дифракции фиксировать перераспределение валентных электронов.
Исследование в журнале Physical Review Letters.