Уявіть собі, що ви намагаєтеся зняти подію, яка триває всього 125 трильйонних часток секунди. Це те, про що молекулярні фізики давно мріяли, і нарешті здається, що вони досягли своєї мети.
Використовуючи точно налаштовані імпульси лазерного світла, міжнародна команда вчених з чотирьох різних установ зуміла зняти надшвидке обертання молекули.
«Ми записали молекулярний фільм з високою роздільною здатністю надшвидкого обертання карбонілсульфіду в якості пілотного проекту», - сказав фізик Евангелос Карамацкос з DESY, найбільшого прискорювального центру Німеччини.
«Рівень деталізації, якого ми змогли досягти, вказує на те, що наш метод може бути використаний для створення повчальних фільмів про динаміку інших процесів і молекул».
Відео нижче представляє 651 зображення, зібране послідовно, щоб покрити півтора повороту молекули карбонілсульфіду. Кінцевий продукт - це 125 пікосекундний запис обертання молекули, уповільнений для зручного перегляду.
Не можна заперечувати його красу, але кадри ще більш чудові, коли ви розумієте, на що саме ви дивитеся.
Коли речовина знаходиться в газоподібному стані, молекули знаходяться відносно далеко одна від одної і тому можуть вільно обертатися навколо своїх осей. Це обертання підпорядковується правилам квантової механіки.
Будучи простим і поширеним газом сірки, карбонільний сульфід у формі стрижня, молекули якого складаються з одного кисню, одного вуглецю і одного атома сірки, є ідеальною моделлю обертання.
Але голова дослідницької групи, фізик Йохен Кюппер, каже, що ви не повинні думати про цю молекулу, що обертається як вовчок.
"Процеси, які ми спостерігаємо тут, регулюються квантовою механікою. У цьому масштабі дуже маленькі об'єкти, такі як атоми і молекули, поводяться не так, як звичайні об'єкти в нашому оточенні ", - пояснює Кюппер, який працює в Гамбурзькому університеті і DESY.
"Положення та імпульс молекули не можуть бути визначені одночасно з найвищою точністю; ви можете визначити тільки певну ймовірність знаходження молекули в певному місці в певний момент часу ".
Навіть коли молекула вказує в декількох напрямках одночасно, у кожного з них є різна ймовірність згідно з квантовою механікою.
«Саме ці напрямки і ймовірності ми експериментально зобразили в цьому дослідженні», - говорить молекулярний дослідник Арно Рузе з Інституту Макса Борна в Берліні. «З того факту, що ці окремі зображення починають повторюватися приблизно через 82 пікосекунди, ми можемо визначити період обертання молекули карбонілсульфіду».
Щоб змусити молекули газу рухатися в унісон, команда спочатку використовувала два імпульси інфрачервоного лазерного випромінювання, точно налаштованих один на одного так, щоб вони пульсували кожні 38 трильйонних часток секунди (пікосекунд).
Наступний крок потім включав додатковий лазерний імпульс з більшою довжиною хвилі, який використовувався для визначення положення молекул з інтервалами приблизно 0,2 трильйонних часток секунди.
Весь процес був копіткою роботою, оскільки цей останній імпульс руйнує молекули. Таким чином, кожен знімок являє собою новий експеримент, що починається заново.
Автори сподіваються, що їхня нова методика може допомогти нам вивчити інші молекули і процеси, такі як внутрішнє скручування, яке відбувається в молекулах або хіральних сполуках, які являють собою сполуки, які існують у двох формах, кожна з яких є дзеркальним відображенням іншої.
«Крім того, досягнутий тут дуже високий ступінь вирівнювання без полів був би надзвичайно корисним для досліджень у галузі стереохімії, а також для експериментів з візуалізації молекулярних кадрів», - підсумовує група вчених у своїй роботі. Дослідження було опубліковано в журналі Nature Communications.
