Uusi kokeellinen menetelmä mahdollistaa molekyylin sironnan havainnoinnin kvanttiympäristössä, paljastaen sen käyttäytymisen erot riippuen sen massasta ja lokalisaatioasteesta.
Sisältö
Kun molekyyli altistuu äärimmäisille olosuhteille, jotka ovat tyypillisiä pienelle superfluidaaliselle heliumtipalle, sen ominaisuudet eivät enää vastaa klassisen maailman odotuksia. Tällaisissa olosuhteissa syntyy kvanttiefektejä, ja hiukkanen lakkaa olemasta tarkasti määritelty, vaan laajenee avaruudessa todennäköisyyspilvenä. Juuri tätä tutkimusryhmä havaitsi epäsuorasti: todellisen molekyyliaaltofunktion, sen ”kvanttivarjon”, avaruudellinen laajeneminen, joka on vangittu heliumin nanopisaraan.
Tämä kokeilu, jonka suoritti fyysikko Wenbin Zhang Itä-Kiinan pedagogisessa yliopistossa, on tärkeä virstanpylväs materiaalien tutkimuksessa äärimmäisissä olosuhteissa. Tiimi osoitti onnistuneesti kokeellisella tarkkuudella ja teoreettisella perustelulla, kuinka molekyyli voi lokalisoitua tai delokalisoitua kvantti ympäristössä riippuen sen massasta ja ympäristön rajoituksista. Tulokset julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä ja ne mainittiin Physics-lehdessä niiden omaperäisyyden ja vaikutuksen vuoksi kvanttifysiikan ja nanoteknologian aloilla.
Konteksti: aine, joka käyttäytyy kuin aalto.
Kvanttifysiikassa jokaista hiukkasta voidaan kuvata myös aallona . Tämä yli sata vuotta sitten Louis de Broylen esittämä ajatus tarkoittaa, että molekyyli ei ole yhdessä pisteessä, vaan ”hajallaan” avaruudessa. Tätä hajautumista kutsutaan aaltofunktioksi, ja sen tehollinen koko riippuu tekijöistä, kuten hiukkasen massasta ja ympäristön lämpötilasta.
Uudessa kokeessa tutkijat työskentelivät vety- (H₂) ja deuterium- (D₂) molekyylien kanssa, joista jälkimmäinen on vetyä raskaampi versio. Kumpikin molekyyli sijoitettiin 2 nanometrin kokoiseen superfluidisoidun heliumin pisaraan, joka tarjoaa ihanteellisen kvanttiympäristön: erittäin kylmän ja kitkattoman. Tällä mittakaavalla molekyylin ja sen ympäristön ominaisuudet hämärtyvät, mikä muuttaa aaltofunktion käyttäytymistä.
Järjestelmän lämpötila, joka on vain 0,37 kelviniä, johtaa molekyylien de Brolysin lämpöpituuden merkittävään laajenemiseen. Kuten kirjoittajat huomauttavat, ”H₂-molekyylin λdB on 300 K:ssa noin 0,071 nm, mutta 0,37 K:ssa se kasvaa 2,02 nm:iin”. Toisin sanoen, sen aaltofunktio tulee yhtä suureksi kuin pisara itse.
Pisara kvanttiansana
Ylikuumat heliumpisarat toimivat väliaineena, joka luo rajoituksen, joka muuttaa molekyylien käyttäytymistä niiden sisällä.
Mielenkiintoista on, että tämä rajoitus ei ole kova eikä staattinen: se on nestemäinen ansa, jossa heliumin atomit ovat heikosti vuorovaikutuksessa molekyylin kanssa van der Waalsin voimien välityksellä.
Tämä rajoitus luo niin sanotun tehokkaan potentiaalikuopan, jossa molekyyli voi jäädä kiinni suuremmalla tai pienemmällä voimakkuudella sen massasta riippuen. Tiimi pystyi vahvistamaan, että tässä ympäristössä kevyemmät molekyylit, kuten H₂, ovat taipuvaisia delokalisaatiolle, kun taas raskaammat molekyylit, kuten D₂ tai O₂, pysyvät rajoitettuina pienempiin alueisiin.
Yksi tutkimuksen keskeisistä näkökohdista oli tämän lokalisoinnin ja sen vaikutuksen välisen yhteyden selvittäminen elektronien vapautumiseen laserpulssin ionisoinnin jälkeen. Molekyylit viritettiin ultraviolettipulssilla, joka irrotti elektronin. Tämän elektronin lentorata ja kulmajakauma antoivat tutkijoille mahdollisuuden määrittää alkuperäisen aaltofunktion muodon ja suuruuden.
Kvanttivarjon löytäminen
Tulokset saatiin käyttämällä COLTRIMS-menetelmää (kylmä kohde – heijastettu ionipulssispektroskopia), joka mahdollistaa jokaisen vapautuneen elektronin pulssin rekisteröinnin suurella tarkkuudella. Analysoimalla elektronien kulmajakaumaa (UI) tutkijat tunnistivat rakenteita, joita kutsutaan ATI-renkaiksi ja joilla on tyypillisiä solmuja.
Normaaleissa olosuhteissa nämä rakenteet ovat selvästi erottuvia. Jos elektroni kuitenkin poistuu nanopilosta ja altistuu lukuisille sisäisille törmäyksille, rakenteet hämärtyvät. Näin ollen näiden kuvioiden selkeys on suora indikaattori molekyylien delokalisaation asteesta pisaran sisällä.
Kirjoittajien mukaan ”tyypilliset solmurakenteet, joita havaitaan kaasufaasissa, pysyvät selvinä ja näkyvinä HeH⁺:n tapauksessa, mutta näyttävät hämärtyneiltä HeD⁺:n tapauksessa”. Tämä tarkoittaa, että vety-molekyyli oli dispergoitunut nanopisaraan sen koko tilavuuden alueella, kun taas raskaampi deuterium pysyi paikallisempana.
Datan kontrastin kvantitatiivisen arvioinnin tulokset olivat hämmästyttäviä: 40 % H₂, 10 % HeH⁺ ja vain 0,8 % HeD⁺. Nämä luvut osoittavat vakuuttavasti lokalisoinnin ja delokalisoinnin eron tässä kvanttijärjestelmässä.
Mallinnus, joka vahvistaa datan luotettavuuden.
Kokeellisten tulosten vahvistamiseksi tiimi kehitti myös Monte Carlo -mallinnuksen ja Schrödingerin yhtälön ratkaisut, jotka oli mukautettu nanokokoluokkaan. Näiden mallinnusten avulla he pystyivät arvioimaan, kuinka aaltofunktio muuttuu pisaran koon ja molekyylimassan mukaan.
Näiden mallinnusten aikana laskettiin todennäköisyys, että emittoitu elektroni törmää toiseen elektroniin poistuessaan heliumympäristöstä. H₂:n tapauksessa merkittävä osa elektroneista poistui ilman törmäyksiä, mikä vahvistaa niiden laajan ja hajanaisen jakautumisen. D₂:n ja O₂:n tapauksessa elektronit kuitenkin törmäsivät usein toisiinsa, hämärtäen solmumaiset rakenteet.
Tutkimuksessa tutkittiin myös, miten tämä vaikutus muuttuu nanopisaroiden koon mukaan. Suuremmissa pisaroissa jopa H₂:lla on taipumus suurempaan lokalisaatioon, mikä lisää törmäysten todennäköisyyttä ja vähentää rakenteiden selkeyttä. Tämä viittaa siihen, että aaltofunktion koon ja ympäristön välinen suhde on avaintekijä näiden vaikutusten ymmärtämisessä.
Näkymättömässä: tulevat sovellukset
Tämän työn tärkein näkökohta on paitsi aaltofunktion epäsuora visualisointi myös uuden kokeellisen menetelmän kehittäminen kvanttilokalisoinnin tutkimiseksi rajoitetuissa järjestelmissä. Tällä menetelmällä on potentiaalisia vaikutuksia nanokokoluokan laitteiden suunnitteluun, jossa kvanttiefektien hallinta on ratkaisevan tärkeää.
Kirjoittajat päättelevät, että ”artikkelissamme esitetään uusi menetelmä kevyiden epäpuhtauksien solvaation mittaamiseksi suprajohteisessa heliumissa”, ja korostavat, että tämä työkalu avaa mahdollisuuksia ”tutkia molekyyliaaltofunktion spatiaalisia ominaisuuksia, jotka määräytyvät pisaran pysyvyyspotentiaalin perusteella”.
Näitä saavutuksia voidaan soveltaa kvanttikemiassa, molekyylisensorien kehittämisessä ja jopa eksoottisten aineen tilojen mallintamisessa. Molekyylien käyttäytymisen tutkiminen kontrolloidussa kvanttiympäristössä auttaa ymmärtämään paremmin klassisen ja kvanttifysiikan välisiä rajoja, mikä on yksi nykyfysiikan aktiivisimmista alueista.
