Imagini în premieră mondială dezvăluie tremurul cuantic al atomilor înainte ca o moleculă să se spargă

Atomii nu stau niciodată complet nemișcați. Chiar și în cea mai joasă stare de energie, aceștia vibrează din cauza efectelor cuantice. Acum, pentru prima oară, oamenii de știință au reușit să observe direct tremurul cuantic al atomilor într-o moleculă complexă, chiar în momentul dinaintea exploziei acesteia sub acțiunea unui fascicul intens de raze X.

La European XFEL, lângă Hamburg (Germania), cercetătorii au utilizat impulsuri ultrarapide și de mare intensitate de raze X pentru a lovi o moleculă numită 2-iodopiridină. Energia razelor a smuls electroni din moleculă, transformând-o într-un sistem cu sarcină electrică ridicată, care s-a destrămat imediat sub propria forță de respingere.

Analizând fragmentele rezultate, oamenii de știință au reușit să reconstruiască forma și mișcarea internă a moleculei în clipa exactă a destrămării. „Molecula nu este rigidă, ci se află într-o mișcare constantă cauzată de fluctuațiile cuantice. Am reușit să surprindem această mișcare despărțind molecula și analizând direcțiile în care au fost expulzate fragmentele”, a explicat Markus Ilchen, autor principal al studiului.

Cum au reușit cercetătorii să surprindă tremurul cuantic al atomilor?

Pentru a vedea tremurul cuantic al atomilor, echipa a folosit un microscop de reacție numit COLTRIMS, capabil să urmărească particule încărcate electric la scări de timp de femtosecunde, adică o cvadrilionime de secundă.

Dispozitivul înregistrează simultan mai multe fragmente și permite generarea unei hărți tridimensionale complete a structurii moleculare imediat înainte de dezintegrare. Cercetătorii au observat că fragmentele nu se împrăștiau în mod previzibil, conform unei geometrii plate a moleculei, ci prezentau deformări subtile, dovezi ale unei mișcări surprinse exact în acel moment.

„Observăm mișcarea cuantică de punct zero, care există chiar și la temperatura zero absolut. Este cea mai mică mișcare posibilă pe care o poate avea un sistem”, a explicat Till Jahnke, cercetător principal la European XFEL.

Această mișcare nu era una aleatorie, ci sincronizată, un semn distinctiv al mișcării cuantice coerente, diferită de vibrațiile termice obișnuite. „Nu este o mișcare întâmplătoare, ci una coordonată, specifică mecanicii cuantice”, a adăugat Stefan Pabst, de la DESY, cel care a condus modelarea teoretică a experimentului. Rezultatele au fost verificate prin simulări pe calculator.

Un progres major în imagistica moleculară

Fizica clasică nu a putut reproduce aceste observații. Doar cu includerea efectelor cuantice, modelele le-au corespuns datelor experimentale.

Pentru că nu toate fragmentele au putut fi detectate la fiecare eveniment, cercetătorii au folosit o metodă statistică ce le-a permis să reconstruiască geometria completă și mișcarea moleculei pornind de la date parțiale.

Această tehnică a făcut posibilă obținerea unei imagini clare și complete a ceea ce se întâmpla în interiorul moleculei în momentul în care s-a destrămat.

„Este un progres major în imagistica moleculară. Putem acum să observăm în timp real mișcarea cuantică în molecule complexe”, a declarat Arnaud Rouzée, de la Institutul Max Born.

Experimentul contribuie la o înțelegere mai profundă a comportamentului materiei la scară cuantică și poate influența viitoarele cercetări din domeniile chimiei, fizicii și modelării cuantice, scrie Interesting Engineering.

„Mecanica cuantică guvernează comportamentul fundamental al materiei. Să-i vedem urmele atât de clar este un pas important și captivant pentru progresul științei”, a concluzionat Pabst.

Rezultatele studiului au fost publicate în revista Science.

Vă recomandăm să citiți și:

De la carbon la dulciuri: Cercetătorii chinezi transformă CO2 în zahăr

Un burete 3D imprimat transformă apa sărată în apă potabilă doar cu ajutorul soarelui

Pentru prima dată, cercetătorii de la Large Hadron Collider desfășoară coliziuni cu oxigen

O „piele” nouă permite roboților să simtă de la atingeri, până la răni adânci