Den eksperimentelle observation af ekkoer i et enkelt molekyle

Ekkoer, lyde, der gentages eller giver genlyd som følge af bølger, der reflekteres tilbage til lytteren, forekomme i flere fysiske systemer. I fysikforskning, ekkoer bruges typisk til at eliminere virkningerne af dephasing forårsaget af et systems interaktioner med miljøet, samt at afsløre visse objekters iboende egenskaber.

Forskere ved Weizmann Institute of Science og East China Normal University (ECNU) har eksperimentelt observeret kvantebølge-pakkeekkoer i en enkelt, isoleret molekyle. Deres fund, for nylig udgivet i Naturfysik , kunne introducere nye værktøjer til sondering af ultrahurtige intramolekylære processer i molekyler.

"Dette arbejde opstod som et resultat af en diskussion, vi havde med vores kinesiske kolleger i 2017, under FRISNO, en workshop om ikke-lineær optik arrangeret af Weizmann Instituttet i en naturskøn kibbutz Ein Gedi, lige ved siden af ​​Det Døde Hav, " Professor Ilya Averbukh, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Tidligere har vi havde et løbende succesfuldt samarbejde med Shanghai-gruppen, samt med et fransk hold fra University of Burgundy, Dijon, med fokus på ekkoer i molekylær rotation."

Den teoretiske analyse, der oprindeligt blev udført af Averbukh og hans kolleger, foreslog, at rotationsekkoer observeret i molekylære gasser skulle have deres modstykker i molekylær vibrationsdynamik, en forudsigelse, der senere blev bekræftet af deres eksperimenter. Da de begyndte at udføre eksperimenter, imidlertid, forskerne indså, at målesystemet, der blev brugt på ECNU, også giver mulighed for observation af den såkaldte 'ekkoeffekt' i ekstremt fordærvede gasser, og muligvis endda i et enkelt molekyle.

Apparatet brugt af forskerne ved den kinesiske institution er, faktisk, i stand til at detektere signaler fra individuelle molekyler, en ad gangen. Da de indså dette, holdet satte sig for at undersøge kvantebølgepakkeekkoer i et individuelt molekyle. Molekylerne brugt i deres eksperiment var vibrationskolde, derfor startede interaktionen af ​​alle molekyler med laserfelterne fra den samme begyndelsestilstand og er styret af kvantemekanikkens regler.

"Som regel, ekkoer vises i ensembler, der indeholder mange spins, atomer eller molekyler, hvis egenskaber er let spredte, " sagde Averbukh. "I tilfælde af enkelte molekyler, den nødvendige 'usikkerhed' introduceres af kvantemekanikkens magi. Mens alle molekylerne starter fra den samme starttilstand, og de er begejstrede for nøjagtig de samme laserfelter, deres tilstand efter excitationen er ikke helt kendt, og molekylerne eksisterer i en 'superposition' af flere kvantevibrationstilstande."

Effekterne undersøgt af Averbukh og hans kolleger ligner dem, der blev introduceret i et berømt tankeeksperiment af Richard Feynman, der vandt Nobelprisen i fysik i 1965. I dette 'gedanken -eksperiment', Feynman overvejede at sende elektroner én efter én gennem to tætsiddende spalter, og opsamler signal fra en skærm bag disse spalter. Hvis der ikke indføres yderligere målinger, kvantemekanikkens love forhindrer forskere i at vide, gennem hvilken spalte hver enkelt elektron passerede. Som resultat, mens individuelle elektroner er tilfældigt spredt rundt på skærmen, når eksperimentet gentages mange gange, danner de enkelte klik på skærmen et interferensmønster forårsaget af denne 'kvanteusikkerhed'.

"I vores tilfælde, kvanteinterferens sker inde i hvert enkelt molekyle, og det manifesterer sig i tidsdomænet snarere end i det almindelige rum, " Forklarede Averbukh. "På en eller anden måde, vores arbejde præsenterer en intramolekylær tidsopløst version af Feynmans tankeeksperiment."

I de eksperimenter udført af Averbukh og hans kolleger, den spatiotemporale dynamik af kvantebølgepakkeekkoer i et isoleret enkelt molekyle blev visualiseret med femtosekund og Angstrom opløsninger. At gøre dette, forskerne brugte en tilfældighedsdetekterende teknik udviklet af holdet på ECNU i et ultrahøjt vakuumkammer.

"Molekylerne interagerer med laserpulserne en ad gangen og måles individuelt, " Professor Jian Wu, som ledede holdet, der udførte eksperimenterne på ECNU, fortalte Phys.org. "Ligner interferensforsøgene med" enkeltpartikel ", f.eks., enkelte elektroner eller enkelte fotoner, der passerer gennem en dobbelt spalte, her, målingen gentages mange gange, indtil sandsynlighedsfordelingen af ​​de enkelte molekyleekkoer tydeligt visualiseres i rum og tid."

Ved impulsivt spændende vibrationsbølger i molekylet, forskerne var i stand til at observere deres svingninger og spredning over tid. Dette gjorde det muligt for dem at identificere to nøglemekanismer bag dannelsen af ​​ekkoer i molekylerne - nemlig, en stærkt induceret molekylær potentiel ryster og skabelsen af ​​et udtømningsinduceret 'hul' i atomkernefordelingen.

Observationen af ​​et ekko fra et enkelt molekyle er et usædvanligt resultat. De fleste tidligere undersøgelser fokuserede på ekkoer, der forekommer i en inhomogen fordeling af molekyler, hvor ekkoet typisk blev brugt til at eliminere de individuelle variationer mellem forskellige molekyler. Holdet bag den aktuelle undersøgelse, på den anden side, var i stand til iboende at undersøge interne egenskaber af et enkelt molekyle, indsamle interessante nye resultater.

"Vores eksperimenter på det enkelte molekyle slutter sig til et lille antal relaterede eksperimenter, såsom interferens af en enkelt elektron eller et enkelt atom eller en enkelt foton (f.eks. i et Young-eksperiment med to spalter) og som sådan, de giver yderligere perspektiv på det grundlæggende element i bølge-partikel dualitet i kvantemekanik, "Professor Yehiam Prior, en anden forsker, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org.

Indtil nu, forskerne ved Weizmann Institute of Science og ECNU har udført deres eksperimenter på små individuelle molekyler. I fremtiden, imidlertid, deres procedure kunne i princippet, bruges til at undersøge ekkoer i større objekter med mange indre frihedsgrader, muliggør studiet af disse indre frihedsgrader i isolerede molekyler. Ud over, deres fund kunne bane vejen til udviklingen af ​​mere effektive værktøjer til sondering af specifikke processer i forskellige molekyler.

© 2020 Science X Network