Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να παρακολουθήσουν απευθείας την κβαντική «χορογραφία» μορίων, χρησιμοποιώντας μια πρωτοποριακή τεχνική που τα εκρηγνύει σε εξαιρετικά μικρές χρονικές κλίμακες. Το επίτευγμα, που δημοσιεύθηκε στις 7 Αυγούστου στο περιοδικό Science, ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων με πρωτόγνωρη ακρίβεια.
Στον κβαντικό κόσμο, τίποτα δεν μένει πραγματικά ακίνητο. Ακόμη και σε απόλυτο μηδέν, τα σωματίδια συνεχίζουν να πάλλονται και να κινούνται λόγω του λεγόμενου zero-point motion, μιας θεμελιώδους ιδιότητας που απορρέει από την κβαντική μηχανική. Ερευνητές στο European XFEL εκμεταλλεύτηκαν αυτό το φαινόμενο για να μελετήσουν το μόριο 2-iodopyridine, το οποίο αποτελείται από 11 άτομα. Με τη βοήθεια εξαιρετικά ισχυρών και σύντομων παλμών ακτίνων Χ, προκάλεσαν μια «μικροσκοπική μεγάλη έκρηξη» που τους επέτρεψε να παρακολουθήσουν και να ανασυνθέσουν τις κβαντικές του διακυμάνσεις.
Όπως εξηγεί ο Till Jahnke, φυσικός στο Institute for Nuclear Physics του Goethe University Frankfurt και επικεφαλής της μελέτης, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν ότι τα άτομα δεν πάλλονται ανεξάρτητα, αλλά συντονισμένα, ακολουθώντας σταθερά πρότυπα κίνησης. Το συγκεκριμένο μόριο παρουσιάζει, όπως ανέφερε, 27 διαφορετικούς τρόπους δόνησης, ένα πολύπλοκο ρεπερτόριο που δεν μπορεί να περιγραφεί με τους κλασικούς νόμους της φυσικής.
Η τεχνική που χρησιμοποίησαν ονομάζεται Coulomb Explosion Imaging. Σε αυτή, οι παλμοί ακτίνων Χ αφαιρούν μαζικά ηλεκτρόνια από το μόριο-στόχο, αφήνοντάς το συνολικά θετικά φορτισμένο. Η απώλεια ηλεκτρονίων προκαλεί ισχυρή απώθηση μεταξύ των ατόμων, τα οποία απομακρύνονται εκρηκτικά το ένα από το άλλο. Η διαδικασία διαρκεί λιγότερο από ένα femtosecond, ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, και καταγράφεται με ειδικά όργανα που καταφέρνουν να αποτυπώσουν την κίνηση και το σχήμα κάθε θραύσματος της έκρηξης.
Με βάση αυτά τα δεδομένα, οι επιστήμονες προσομοίωσαν την έκρηξη και δημιούργησαν μια «οπτικοποίηση» της κίνησης του μορίου, επιβεβαιώνοντας ότι ανταποκρίνεται στο συσχετισμένο zero-point motion που αναζητούσαν. Το αποτέλεσμα δεν είναι μόνο μια εντυπωσιακή εικόνα του αόρατου κβαντικού κόσμου, αλλά και μια λεπτομερής «υπογραφή» της κβαντικής συμπεριφοράς των ατόμων.
Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε μια μεγάλη ποικιλία μορίων, προσφέροντας πρωτόγνωρη δυνατότητα μελέτης της δομής και των εσωτερικών κινήσεών τους. Ο Michael Meyer, συν-συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο Hamburg Centre for Ultrafast Imaging, σημειώνει ότι στο μέλλον θα είναι εφικτή η παρατήρηση ακόμη μεγαλύτερων μορίων, αλλά και η δημιουργία χρονικά διακριτών «ταινιών» που θα αποτυπώνουν την εσωτερική τους δυναμική.
Η προοπτική δεν περιορίζεται μόνο στις κινήσεις των ατόμων. Ο Jahnke επισημαίνει ότι το επόμενο βήμα είναι η καταγραφή της «χορογραφίας» των ηλεκτρονίων, μιας διαδικασίας πολύ πιο γρήγορης και αλληλένδετης με τις κινήσεις των ατόμων. Με τον εξοπλισμό που διαθέτουν, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν σταδιακά σύντομα φιλμ που θα αποτυπώνουν ολόκληρες μοριακές διεργασίες, κάτι που μέχρι πρόσφατα φαινόταν αδύνατο.
Η συγκεκριμένη έρευνα συνδέει τον θεωρητικό κβαντικό κόσμο με απτές, ορατές αναπαραστάσεις, καθιστώντας τον πιο κατανοητό αλλά και πιο προσιτό για περαιτέρω διερεύνηση. Αν εφαρμοστεί ευρύτερα, η τεχνική αυτή μπορεί να ανοίξει δρόμους για την κατανόηση πολύπλοκων βιομορίων ή χημικών διεργασιών, με πιθανές εφαρμογές που εκτείνονται από τη φαρμακολογία έως την ανάπτυξη νέων υλικών.
Σε κάθε περίπτωση, το βήμα που έγινε στο European XFEL δεν είναι μόνο τεχνολογικό, αλλά και εννοιολογικό: για πρώτη φορά, μπορούμε να παρακολουθήσουμε το κβαντικό «παλμό» ενός μορίου τη στιγμή που η εσωτερική του ενέργεια εκρήγνυται, αποκαλύπτοντας με λεπτομέρεια ένα σύμπαν που μέχρι σήμερα υπήρχε μόνο στις εξισώσεις των φυσικών.
[via]
