Наблюдая ненаблюдаемое: исследователи измерили электронные орбитали молекул в 3D

Многие из вас помнят их из уроков физики в школе: часто представляемые как цветные облака или воздушные шары, электронные орбитали содержат информацию о местонахождении электронов в атомах и молекулах. Теперь ученые из Университета Граца, Исследовательского центра в Юлихе и Федерального физико-технического института (PTB) добились успеха в экспериментальной записи этих структур во всех трех измерениях. Они добились этого путем дальнейшего развития метода, который они уже применяли два года назад, чтобы сделать эти орбитали видимыми в двух измерениях.
В квантовой физике электроны ведут себя и как частицы, и как волны. Волновая природа может быть описана с помощью волновой функции, или орбитали. «Орбитали содержат информацию о пространственном распределении электронов с определенной энергией. Если они известны, все соответствующие свойства материала могут быть получены», - объясняет проф. Питер Пушниг (Peter Puschnig) из Университета Граца. Тем не менее, законы квантовой механики не позволяют прямого наблюдения того, как электрон распространяется в виде волны.

В 2004 г. команда канадских и японских ученых использовала высокоэнергетический лазер, чтобы показать, что эта орбитальная функция может быть отображена косвенно, по крайней мере, для простых двухатомных молекул. Около десяти лет спустя, исследователи из Граца и Юлиха впервые записали орбитали больших сложных молекул, хотя только в двух измерениях. Для их измерений они использовали фотоэлектронную спектроскопию, основанную на фотоэффекте. В этой процедуре молекулярный слой на поверхности серебра подвергался бомбардировке фотонами, в результате чего испускались электроны. «Электроны не просто разлетаются в пространстве. Их распределения по углам и энергиям позволяют сделать выводы о молекулярных орбиталях», - сказал проф. Пушниг.

Усовершенствуя этот метод, ученым в настоящее время удалось реконструировать орбитали во всех трех измерениях. Это означает, что эксперимент должен быть выполнен с фотонами различных энергий, т. е. с различными длинами волн света в ультрафиолетовом диапазоне.
«Дополнительная информация о третьем измерении может быть получена с переменными длинами волн во многом таким же образом, как камера многократно снимает фотографии одного объекта с переменным фокусным расстоянием», - объяснил проф. Стефан Тауц (Stefan Tautz) из Исследовательского центра в Юлихе. Тем не менее, прошло много времени, прежде чем можно было объединить данные, собранные в разных сериях измерений в одну пространственную модель.

«До сих пор мы не смогли сравнить измеренные интенсивности, получаемые от фотонов различных энергий, - отметил проф. Майкл Рэмси (Michael Ramsey) из департамента физики в Университете Граца. - Вместе с энергией фотонов также изменяется поток фотонов, другими словами, абсолютное количество входящих фотонов, которое должно быть известно для 3D-реконструкции. Но это число трудно точно измерить».

Для того чтобы получить сопоставимые значения, исследователи из Юлиха установили свой детектор на метрологический источник света (MLS) в РТВ в Берлине. «Наш источник синхротронного излучения является одним из немногих в мире, который обеспечивает точную калибровку потока фотонов», - объясняет д-р Александр Готвальд (Alexander Gottwald) из PTB. На основе данных калиброванных измерений ученые в Граце смогли восстановить электронные распределения в трех измерениях.

Таким образом исследовательская группа из Юлиха, Граца и Берлина получила возможность наблюдать волновую функцию, которая в соответствии с правилами квантовой механики считается, фактически, ненаблюдаемой. Результаты являются долгожданным доказательством орбитальной концепции как таковой. В 1977 г., например, теоретик Кеничи Фукуи (Kenichi Fukui), который вместе с Роальдом Хоффманном (Roald Hoffmann) получил Нобелевскую премию по химии за 1981 г., описал концепцию молекулярных орбиталей как имеющую "несколько нереальную природу".

И, как сказал Хоффманн в 1999 г., даже теоретики, которые использовали орбитали в своей повседневной работе, не очень сопоставляли их с необходимой реальностью: физики и химики, которые используют теорию функционала плотности так плодотворно, в общем и целом уклонялся от приписывания орбиталям реальность, что (мы думаем) они заслуживают.

Результат также имеет отношение к физике. «Наш эксперимент дает важные новые физические идеи в основание фотоэффекта», - говорит Стефан Тауц. Несколько удивительно, что испускаемые электроны могут быть описаны способом, очень похожим на описание свободных электронов - идея, которая была отклонена почти 50 лет назад на основе предполагаемого рассеяния атомными ядрами.

Основной принцип 3D-реконструкции с помощью фотоэлектронной спектроскопии: электроны, выбиваемые из электронной оболочки фотонами, позволяют сделать выводы об орбиталях. Трехмерная структура орбитали может быть восстановлена из экспериментов с различными энергиями фотонов