Vedci prvýkrát zachytili tajný tanec atómov. Považovalo sa to za nemožné
Roky sa považovalo zachytenie tohto pohybu za nemožné, no výskumníci to nakoniec dokázali.
Svet kvantovej fyziky je mimoriadne neintuitívny a pre väčšinu z nás až bizarný. Podľa Heisenbergovho pricncípu neurčitosti je pozorovanie kvantového sveta ako sledovať tanec bez toho, aby si vlastne vedel kde presne sa tanečníci nachádzajú a v akom tempe tancujú. Napriek tomu sa výskumníkom podarilo po prvýkrát v histórii tento tanec zachytiť, informuje portál Science Daily.
Hoci sa nám môže zdať tanec kvantových častíc ako chaotický, v skutočnosti je práve opak pravdou. Obaja tanečníci nasledujú prísnu choreografiu, ktorej sa musíme držať. V prípade molekúl sa toto zvláštne správanie prejavuje aj iným spôsobom. Aj keby mala byť molekula kompletne zamrznutá pri absolútnej nule, ktorá predstavuje nula Kelvinov alebo –273,15 stupňov Celzia, aj tak sa nikdy úplne nedostane do pokoja.
“Dlhú dobu sme považovali tento vzor pohybu za nemerateľný priamym spôsobom. V našej novej štúdii sa nám však podarilo s pomocou najväčšieho röntgenového lasera zmerať presne tento pohyb,” hovoria autori štúdie.
Tanec atómov pri najnižšom energetickom stave
Vedci zachytili “tanec atómov” tak, že zasvietili svetlo na individuálne molekuly a zachytili momentku ich atómov. To odhalilo presnú choreografiu všetkých atómov. Tým sa podarilo výskumníkom zistiť, že atómy nevibrujú individuálne, no vytvárajú páry, ktoré nasledujú fixné vzorce. Autori výskumu po prvýkrát toto správanie zmerali v stredne veľkých molekulách, ktoré boli zároveň vo svojom najnižšom energetickom stave. Tento typ pohybu je však čisto kvantovou záležitosťou, ktorú nemôžeme vysvetliť klasickou fyzikou.
“Hoci hovoríme o choreografii, presnejšie ide skôr o vibračné režimy. Pohybové vzorce molekúl s dvoma alebo troma atómami sa sledujú relatívne jednoducho, rýchlo sa tieto merania skomplikujú pri stredne veľkých molekulách, ktoré majú jedenásť atómov,” vysvetľuje profesor Till Jahnke, jeden z autorov výskumu.
Pri stredne veľkých molekulách, napríklad iodopyridíne, výskumníci pozorovali repertoár 27 odlišných vibračných režimov. Autori vysvetľujú, že ich práca už trvá roky. Pôvodne začali s prácou v roku 2019 a až o dva roky neskôr zistili, že v skutočnosti sledujú tento špeciálny tanec kvantových častíc. Keď sa následne pozreli spätne na svoje predchádzajúce výskumy, veľa častí skladačky do seba jednoducho zapadlo.
Ako tento pohyb zachytili?
Ako sa ale výskumníkom podarilo tento tanec zachytiť? Dokázali to tak, že v molekulách spustili kontrolovanú explóziu pomocou mimoriadne krátkeho, no vysokointenzívneho röntgenového pulzu. Vďaka tomu dokázali zachytiť záber vo vysokom rozlíšení, na ktorom sa objavila vytvorená štruktúra. Pulz vykopne veľa elektrónov z molekuly, čo spôsobí, že teraz pozitívne nabité atómy sa od seba začnú odpudzovať a rozletia sa v zlomku trilióntiny sekundy. Tieto fragmenty výskumníci nahrajú pomocou špeciálneho nástroja, ktorý sleduje ich čas a polohu impaktu. Vďaka týmto dátam dokáže rekonštruovať originálnu štruktúru molekuly.
Neprehliadni
“Som naozaj hrdý na to, že sa nám podarili tak prelomové výsledky. Tie sa nám podarilo dosiahnuť vďaka niekoľkým rokom príprav a skvelej spolupráce,” tvrdí Jahnke.
Výsledky štúdie ponúkajú úplne nové poznatky, ktoré sa dotýkajú kvantových fenoménov. Po prvýkrát v histórii mohli výskumníci priamo pozorovať komplexné vzorce pohybu aj v komplexnejších molekulách. Tento výskum zároveň demonštruje potenciál reakčného mikroskopu COLTRIMS, ktorý reakciu dokázal zachytiť. Autori štúdie zároveň priznali, že majú ešte väčšie plány. Do budúcnosti by chceli zachytiť aj tanec elektrónov, čo je pohyb, ktorý prebieha v oveľa väčšej rýchlosti a je zároveň ovplyvnený pohybom atómov. Postupne veria, že sa im podarí vytvoriť krátke zábery molekulárnych procesov. Tento dej je rovnako niečo, čo sa roky považovalo za nemožné vytvoriť. Otázkou ale ostáva, ako sa im bude dariť v nadchádzajúcich výskumoch.
