Jaunā eksperimentālā metode ļauj novērot molekulas izkliedi kvantu vidē, atklājot atšķirības tās uzvedībā atkarībā no masas un ierobežojuma pakāpes.
Saturs
Kad molekula nonāk ekstremālos apstākļos, kas raksturīgi sīkai virsplūstoša hēlija pilienam, tās īpašības vairs neuzvedas tā, kā mēs to gaidītu klasiskajā pasaulē. Šādos apstākļos parādās kvantu efekti, un daļiņa vairs nav skaidri definēta, bet drīzāk izplešas telpā kā varbūtību mākonis . Tieši to netieši novēroja pētnieku grupa: faktisko molekulārās viļņu funkcijas telpisko izplešanos, tās “kvantu ēnu ”, kas ieslodzīta nano pilienā hēlija.
Šis eksperiments, ko veica fiziķis Wenbin Zhang Austrumķīnas Pedagoģiskajā universitātē, iezīmē svarīgu posmu materiāla pētniecībā ekstremālos apstākļos. Komanda ar eksperimentālu precizitāti un teorētisku pamatojumu veiksmīgi parādīja, kā molekula var lokalizēties vai delokalizēties kvantu vidē atkarībā no tās masas un apkārtējās vides ierobežojumiem. Rezultāti tika publicēti žurnālā Physical Review Letters un atzīmēti žurnālā Physics par to oriģinalitāti un ietekmi uz kvantu fizikas un nanotehnoloģiju jomām.
Konteksts: viela, kas uzvedas kā vilnis.
Kvantu fizikā katru daļiņu var aprakstīt arī kā vilni . Šī ideja, ko pirms vairāk nekā gadsimta ierosināja Luijs de Broils, nozīmē, ka molekula neatrodas vienā punktā, bet ir “izkliedēta” telpā. Šāds izkliedējums ir pazīstams kā viļņu funkcija, un tās efektīvais izmērs ir atkarīgs no tādiem faktoriem kā daļiņas masa un apkārtējās vides temperatūra.
Jaunajā eksperimentā pētnieki strādāja ar ūdeņraža (H₂) un deiterija (D₂) molekulām, kur pēdējā ir smagāka ūdeņraža versija. Katra no tām tika ievietota 2 nanometru lielā superplūstoša hēlija pilienā, kas nodrošina ideālu kvantu vidi: ārkārtīgi aukstu un bez berzes. Šādā mērogā molekulas un tās apkārtnes īpašības kļūst neskaidras, mainot viļņu funkcijas uzvedību.
Sistēmas temperatūra, kas ir tikai 0,37 Kelvina grādi, izraisa ievērojamu molekulu de Broila siltuma viļņa garuma paplašināšanos. Kā norāda autori, “H₂ molekulas λdB pie 300 K ir aptuveni 0,071 nm, bet pie 0,37 K palielinās līdz 2,02 nm”. Citiem vārdiem sakot, tās viļņu funkcija kļūst tikpat liela kā pati piliena.
Piliena kā kvantu lamatas
Pārmērīgi plūstošas hēlija pilieni darbojas kā vide, kas rada ierobežojumu, kas maina tajos esošo molekulu uzvedību.
Interesanti, ka šis ierobežojums nav ne stingrs, ne statisks : tas ir šķidruma slazds, kurā hēlija atomi vāji mijiedarbojas ar molekulu, izmantojot Van der Vālsa spēkus.
Šāds ierobežojums rada tā saucamo efektīvo potenciālo bedri, kurā molekula var tikt uztverta ar lielāku vai mazāku intensitāti atkarībā no tās masas. Komanda spēja apstiprināt, ka šajā vidē vieglākas molekulas, piemēram, H₂, tendē uz delokalizāciju, bet smagākas molekulas, piemēram, D₂ vai O₂, paliek ierobežotas mazākās teritorijās.
Viens no pētījuma galvenajiem aspektiem bija saiknes noteikšana starp šo lokalizāciju un tās ietekmi uz elektroniem, kas izdalās pēc jonizācijas ar lāzera impulsu. Molekulas tika uzbudinātas ar ultravioleto impulsu, kas izsita elektronu. Pēc tam šī elektrona trajektorija un leņķiskais sadalījums ļāva pētniekiem noteikt sākotnējās viļņu funkcijas formu un lielumu.
Kvantu ēnas atklāšana
Rezultāti tika iegūti, izmantojot COLTRIMS metodi (aukstā mērķa atstaroto jonu impulsa spektroskopija), kas ļauj ar augstu precizitāti reģistrēt katra izstarotā elektrona impulsu. Analizējot elektronu leņķisko sadalījumu (PMD), zinātnieki identificēja struktūras, ko sauc par ATI gredzeniem, ar raksturīgiem mezgliem.
Normālos apstākļos šīs struktūras ir skaidri izteiktas. Tomēr, ja elektronam izkļūstot no nanokapas, tas tiek pakļauts daudziem iekšējiem sadursmēm, struktūras izplūst. Tātad šo modeļu skaidrība ir tiešs molekulas delokalizācijas pakāpes rādītājs pilienā.
Pēc autoru teiktā, „raksturīgās mezglu struktūras, kas novērotas gāzes fāzē, paliek skaidras un redzamas HeH⁺ gadījumā, bet šķiet izplūdušas HeD⁺ gadījumā”. Tas nozīmē, ka ūdeņraža molekula bija izkliedēta nano pilienā tikpat plaši kā pats piliena tilpums, bet smagākais deiterijs palika vairāk lokalizēts.
Datu kontrasta kvantitatīvā novērtējuma rezultāti bija ievērojami: 40 % H₂, 10 % HeH⁺ un tikai 0,8 % HeD⁺. Šie skaitļi pārliecinoši parāda atšķirību starp lokalizāciju un delokalizāciju šajā kvantu sistēmā.
Modelēšana, kas apstiprina datus.
Lai apstiprinātu eksperimentālos rezultātus, komanda izstrādāja arī modelēšanu ar Monte Carlo metodi un Šrēdingera vienādojuma risinājumus, kas pielāgoti nanokapļu videi. Šīs modelēšanas ļāva viņiem novērtēt, kā viļņu funkcija mainās atkarībā no pilienu izmēra un molekulas masas.
Šajās simulācijās tika aprēķināta iespējamība, ka izstarotais elektrons saduras ar citu elektronu, izkļūstot no hēlija vides . H₂ gadījumā ievērojama daļa elektronu izkļuva bez sadursmēm, kas apstiprina to plašo un izkliedēto sadalījumu. Tomēr D₂ un O₂ gadījumā elektroni bieži sadūrās, izpludinot mezglu struktūras.
Turklāt pētījumā tika izpētīts, kā šis efekts mainās atkarībā no nanokapļu izmēra. Lielākās pilienos pat H₂ tendence ir lielāka lokalizācija, kas palielina sadursmju varbūtību un samazina struktūru skaidrību. Tas liecina, ka saistība starp viļņu funkcijas izmēru un apkārtējo vidi ir galvenais faktors, lai izprastu šos efektus.
Ārpus attēla: nākotnes pielietojumi
Vissvarīgākais aspekts šajā darbā ir ne tikai netieša viļņu funkcijas vizualizācija, bet arī jaunas eksperimentālās metodes izstrāde kvantu lokalizācijas pētīšanai ierobežotās sistēmās. Šai metodoloģijai ir potenciālas sekas nanoizmēra ierīču projektēšanā, kur kvantu efektu kontrole ir ļoti svarīga.
Autori secina, ka “mūsu raksts iepazīstina ar jaunu metodi vieglu piemaisījumu solvatācijas mērīšanai superplūstošā hēlijā”, un uzsver, ka šis instruments paver iespējas “pētīt molekulas viļņu funkcijas telpiskās īpašības, ko nosaka pilienu noturības potenciāls”.
Šie sasniegumi var būt piemērojami kvantu ķīmijā, molekulāro sensoru izstrādē un pat eksotisku vielas stāvokļu modelēšanā. Molekulas uzvedības pētīšana kontrolētā kvantu vidē ļauj labāk izprast robežas starp klasisko un kvantu fiziku, kas ir viena no aktīvākajām mūsdienu fizikas jomām.
