Fysikere skaber første direkte billeder af firkanten af ​​bølgefunktionen af ​​et brintmolekyle

For første gang, fysikere har udviklet en metode til visuelt at forestille sig sammenfiltringen mellem elektroner. Da disse korrelationer spiller en fremtrædende rolle i bestemmelsen af ​​et molekyls bølgefunktion-som beskriver molekylets kvantetilstand-brugte forskerne derefter den nye metode til at producere de første billeder af firkanten af ​​to-elektronbølgefunktionen af ​​et brint (H ₂ ) molekyle.

Selvom der allerede findes mange teknikker til billeddannelse af de enkelte elektroner af atomer og molekyler, dette er den første metode, der direkte kan forestille korrelationerne mellem elektroner og give forskere mulighed for at undersøge, hvordan elektronernes egenskaber afhænger af hinanden.

Forskerne, M. Waitz et al., fra forskellige institutter i Tyskland, Spanien, USA, Rusland, og Australien, har udgivet et papir om den nye billeddannelsesmetode i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

"Der er andre metoder, der gør det muligt at rekonstruere korrelationer fra forskellige observationer; men så vidt jeg ved, det er første gang, man får en direkte billede af korrelationer ved bare at se på et spektrum, "fortalte medforfatter Fernando Martín ved Universidad Autónoma de Madrid Phys.org . "De registrerede spektre er identiske med Fourier -transformationerne af de forskellige stykker af kvadratet i bølgefunktionen (eller ækvivalent, til repræsentationen af ​​de forskellige stykker af bølgefunktionen i momentumrum). Ingen rekonstruktion eller filtrering eller transformation er nødvendig:spektret afspejler direkte stykker af bølgefunktionen i momentumrum. "

Den nye metode indebærer at kombinere to billeddannelsesmetoder, der allerede er meget udbredt:fotoelektronisk billeddannelse og tilfældig påvisning af reaktionsfragmenter. Forskerne anvendte samtidigt begge metoder ved at bruge den første metode på en elektron til at projicere den elektron på en detektor, og brug af den anden metode på den anden elektron til at bestemme, hvordan dens egenskaber ændres som respons.

Den samtidige brug af begge metoder afslører, hvordan de to elektroner er korreleret og producerer et billede af kvadratet af H ₂ korreleret to-elektronbølgefunktion. Fysikerne understreger et vigtigt punkt:at det er billeder af kvadratet i bølgefunktionen, og ikke selve bølgefunktionen.

"Bølgefunktionen er ikke observerbar i kvantefysikken, så det kan ikke observeres, "Sagde Martín." Kun kvadratet i bølgefunktionen er en observerbar (hvis du har værktøjerne til at gøre det). Dette er et af de grundlæggende principper for kvantefysik. De, der hævder, at de er i stand til at observere bølgefunktionen, bruger ikke det rigtige sprog, fordi dette ikke er muligt:​​hvad de gør er at rekonstruere det fra nogle målte spektre ved at foretage nogle tilnærmelser. Det kan aldrig være en direkte observation. "

Forskerne forventer, at den nye tilgang også kan bruges til billedmolekyler med mere end to elektroner, ved at detektere reaktionsfragmenterne af flere elektroner. Metoden kan også føre til evnen til billedkorrelationer mellem bølgefunktionerne i flere molekyler.

"Naturligvis, det naturlige trin at følge er at prøve en lignende metode i mere komplicerede molekyler, "Sagde Martin." Mest sandsynligt, metoden vil fungere for små molekyler, men det er ikke klart, om det vil fungere i meget komplekse molekyler. Ikke på grund af begrænsninger i grundideen, men hovedsageligt på grund af eksperimentelle begrænsninger, da tilfældighedseksperimenter i komplekse molekyler er meget vanskeligere at analysere på grund af de mange nukleare frihedsgrader. "

Evnen til at visualisere elektron-elektron-korrelationer og de tilsvarende molekylære bølgefunktioner har vidtrækkende konsekvenser for at forstå de grundlæggende egenskaber ved stof. For eksempel, en af ​​de mest almindeligt anvendte metoder til tilnærmelse af en bølgefunktion, kaldet Hartree-Fock-metoden, tager ikke højde for elektron-elektron-korrelationer og, som resultat, er ofte uenig i observationer.

Ud over, elektron-elektron-korrelationer er kernen i fascinerende kvanteeffekter, såsom superledningsevne (når elektrisk modstand falder til nul ved meget kolde temperaturer) og kæmpe magnetoresistens (når elektrisk modstand reduceres kraftigt på grund af den parallelle justering af magnetiseringen af ​​nærliggende magnetiske lag). Elektronkorrelationer spiller også en rolle i den samtidige emission af to elektroner fra et molekyle, der har absorberet en enkelt foton, et fænomen kaldet "enkelt-foton dobbelt ionisering."

Og endelig, resultaterne kan også føre til praktiske anvendelser, såsom evnen til at realisere korrelationsbilleddannelse med feltelektronlasere og med laserbaserede røntgenkilder.

© 2018 Phys.org