211service.com
Beeldvorming van de kwantumbeweging van elektronen met behulp van licht
Decennia lang hebben natuurkundigen de manier bestudeerd waarop een elektron zou moeten binden aan een proton, het eenvoudigste atoomsysteem. De fascinerende patronen van waterstoforbitalen die zich vormen op verschillende energieniveaus zijn statische objecten, berekend door gedetailleerde computermodellering. Het zijn momentopnames van in de tijd bevroren waterstofatomen.
Maar de meest geavanceerde computermodellen kunnen ook berekenen hoe waterstofatomen eruitzien als ze van de ene toestand naar de andere overschakelen, hoe de orbitalen van vorm veranderen, hoe ze combineren en superponeren. De resultaten zijn video's van waterstoforbitalen in beweging-kwantumbeweging.
Maar dat is allemaal maar theorie. Niemand weet hoe waterstofatomen er in de praktijk uitzien, want het is onmogelijk om elektronen met licht te fotograferen, laat staan om ze in actie te filmen. Rechts?
Niet helemaal. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen geleerd hoe ze lichtpulsen kunnen genereren die klein genoeg en kort genoeg zijn om de structuur van een waterstofatoom uit elkaar te halen. Deze pulsen bestaan uit röntgenstralen in pakketjes van slechts enkele golflengten lang.
Met deze techniek moet de komende jaren films kunnen worden gemaakt met een resolutie van ongeveer een angstrom en een framerate van een beeld per femtoseconde. Dat is meer dan goed genoeg om de beweging van waterstoforbitalen te laten zien.
Dus hoe zullen deze bewegingen eruit zien? Natuurkundigen hebben standaardtechnieken voor het berekenen van de manier waarop röntgenstraling van atomen wordt verstrooid. Het idee hier is dat ze een ensemble van waterstofatomen in een specifieke staat, of combinatie van toestanden, voorbereiden met behulp van een conventionele laserpuls.
Korte tijd later zappen ze de atomen met pakketjes röntgenstralen en meten ze hoe ze worden verstrooid. Dit geeft een momentopname van het waterstofatoom op dat moment.
Om een film op te bouwen, nemen ze nog een beeld, maar laten deze keer wat extra tijd tussen de voorbereidingspuls en de beeldpuls. Enzovoorts. Dit levert een film op van de kwantumbeweging van elektronen in een baan rond een proton.
Het probleem is natuurlijk dat een pakket röntgenstralen onvermijdelijk de elektronenorbitalen verandert, waardoor de vorm van het waterstofatoom wordt vervormd terwijl het wordt afgebeeld. Het is deze vervorming die kwantumbeeldvorming zo lastig maakt.
In feite is het zo complex dat natuurkundigen het gewoon hebben genegeerd; of in ieder geval zichzelf ervan hebben overtuigd dat het verwaarloosbaar is. De enige berekeningen die ze ooit hebben gedaan om de kwantumbeweging van elektronen te modelleren, gaan ervan uit dat de röntgenstralen het gedrag van elektronen op geen enkele manier veranderen.
Vandaag verandert dat dankzij het werk van Gopal Dixit in het Center for Free-Electron Laser Science bij DESY in Hamburg en een paar vrienden.
Deze jongens hebben uitgewerkt hoe röntgenstraling de vorm van een waterstofatoom zou moeten beïnvloeden en berekenden hoe een video van de resulterende kwantumbeweging van elektronen eruit zou zien.
De afbeelding hierboven toont de resultaten als een reeks frames. De middelste rij toont de manier waarop elektronenorbitalen veranderen wanneer ze zich in een superpositie van 3D- en 4f-orbitalen bevinden. De onderste rij toont de voorspelling volgens de bestaande benadering - en nogal oninteressant is het ook.
De bovenste rij daarentegen laat zien hoe de afbeeldingen eruit zouden zien, ervan uitgaande dat röntgenstralen de orbitalen vervormen. Ze laten duidelijk het soort asymmetrie zien dat röntgenbeeldvorming zou introduceren, iets dat de bestaande benadering eenvoudigweg niet toelaat.
Dat is belangrijk, want dit soort video's moet de komende maanden en jaren mogelijk zijn. Weten hoe ze moeten worden geïnterpreteerd, zal cruciaal zijn.
En waterstofatomen zullen nog maar het begin zijn. Het zal niet lang meer duren voordat we video's hebben van de kwantumbeweging van elektronen in complexere moleculen, misschien zelfs in biomoleculen zelf. Als dat gebeurt, kijken we naar de kwantumbeweging van het leven zelf.
Referentie: arxiv.org/abs/1207.4565 : Beeldvorming van elektronische kwantumbeweging met licht