Opazovanje nevidljivih: Raziskovalci merijo elektronske orbitale molekul v 3D | 2020

Vsebina:

Anonim

V kvantni fiziki se elektroni obnašajo kot delci in kot valovi. Valovno naravo lahko opišemo s prostorsko valovno funkcijo, orbitalno. "Orbitale vsebujejo informacije o prostorski porazdelitvi elektronov pri določeni energiji. Če so znane, lahko izpeljemo vse ustrezne lastnosti materiala," pojasnjuje prof. Peter Puschnig z Univerze v Gradcu. Vendar zakoni kvantne mehanike preprečujejo neposredno opazovanje, kako se elektron širi kot val.

Leta 2004 je skupina kanadskih in japonskih znanstvenikov uporabila visokoenergetski laser, ki je pokazal, da je to orbitalno funkcijo mogoče posneti posredno - vsaj za preproste diatomne molekule. Približno deset let kasneje so raziskovalci iz Graza in Jülicha prvič zabeležili orbitale večjih kompleksnih molekul, čeprav le v dveh dimenzijah. Za njihove meritve so uporabili fotoelektronsko spektroskopijo, ki temelji na fotoelektričnem učinku. V tem postopku se molekularni sloj na srebrni površini bombardira s fotoni (delci svetlobe), zaradi česar se sprosti energijsko vzbujeni elektroni. "Elektroni ne morejo preprosto leteti okoli v vesolju. Namesto tega nam njihove kotne in energetske porazdelitve omogočajo sklepanje o molekularnih orbitalih," pravi Puschnig.

Z nadaljnjo izpopolnitvijo te metode so znanstveniki zdaj uspeli rekonstruirati orbitale v vseh treh dimenzijah. To je pomenilo, da je bilo treba eksperiment izvajati z različnimi energijami fotona, to je različnimi valovnimi dolžinami svetlobe v ultravijoličnem območju. "Dodatne informacije o tretji dimenziji lahko dobimo z različnimi valovnimi dolžinami na skoraj enak način, kot če fotoaparat ponovi posnete slike enega predmeta z variabilnim fokusom," pojasnjuje prof. Stefan Tautz iz podjetja Forschungszentrum Jülich. Vendar pa je trajalo dolgo časa, preden je bilo mogoče zbrati podatke, zbrane v različnih merilnih serijah, v en prostorski model.

"Do sedaj nismo mogli primerjati izmerjenih intenzivnosti, ki izhajajo iz različnih fotonskih energij," pravi prof. Michael Ramsey iz Oddelka za fiziko na Univerzi v Gradcu. "Skupaj s fotonsko energijo se spremeni tudi fotonski tok, z drugimi besedami, absolutno število vhodnih fotonov, ki jih je treba poznati za 3D rekonstrukcijo. Toda to število je težko natančno izmeriti," dodaja dr. Serguei Soubatch iz Jülichove Inštitut Peter Grünberg (PGI-3).

Da bi dosegli primerljive vrednosti, so raziskovalci iz Jülicha namestili svoj detektor na Metrološki svetlobni vir (MLS) v Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) v Berlinu. »Naš sinhrotronski vir sevanja je eden redkih, ki zagotavlja natančno umerjen fotonski tok,« pojasnjuje dr. Alexander Gottwald iz PTB. Na podlagi podatkov iz umerjenih meritev so znanstveniki v Gradcu lahko rekonstruirali elektronske porazdelitve v treh dimenzijah.

Raziskovalna skupina iz Jülicha, Graz in Berlin je tako lahko opazovala valovno funkcijo, ki se po pravilih kvantne mehanike šteje za nevidno. Rezultati so dolgo iskani dokazi o orbitalnem konceptu kot takem. Leta 1977, na primer, je orbitalni teoretik Kenichi Fukui, ki je skupaj z Roaldom Hoffmannom leta 1981 prejel Nobelovo nagrado za kemijo, je pojem molekularnih orbitalov opisal kot "nekoliko nerealno naravo" (Intern. J. Quantum Chem. 12, 277).

In kot je Hoffmann dejal leta 1999, celo teoretiki, ki uporabljajo svoje orbitale v svojem vsakdanjem delu, jih v resnici ne pripisujejo nujni realnosti: "… fiziki in kemiki, ki tako plodno funkcionalno teorijo tako koristno, se v glavnem izogibajo pripisovanju … Orbitira realnost, ki jo (mislimo) si zaslužijo (J. Am. Chem. Soc. 121, 3414).

Rezultat je pomemben tudi za fiziko: "Naš eksperiment zagotavlja pomembne nove fizične vpoglede v osnovni fotoelektrični učinek," pravi Stefan Tautz. Nekoliko presenetljivo je, da se sproščeni elektroni lahko opišejo na zelo podoben način kot prosti elektroni - ideja, ki je bila zavrnjena pred skoraj 50 leti na podlagi domnevnega sipanja atomskih jeder.