Η κβαντομηχανική αμφισβητεί εδώ και καιρό την ιδέα ότι ένα αντικείμενο πρέπει να καταλαμβάνει μία ακριβή θέση μια δεδομένη στιγμή. Αντίθετα, τα θεμελιώδη σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, περιγράφονται από μια «κυματοσυνάρτηση» – μια μαθηματική αναπαράσταση που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για να υπολογίσουν τις πιθανότητες ιδιοτήτων όπως η θέση και η ορμή.
Στο εσωτερικό των μορίων, οι κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων είναι γνωστές ως «μοριακά τροχιακά». Αυτά τα τροχιακά μας παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το πώς συμπεριφέρεται ένα μόριο και πώς αλληλεπιδράει με το περιβάλλον του, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο απορροφά το φως και του πώς ενδέχεται να εξελιχθούν οι χημικές αντιδράσεις. Η σύνθεση μιας πλήρους τρισδιάστατης εικόνας μιας κυματοσυνάρτησης θα παρείχε επομένως στους επιστήμονες μια ισχυρή εικόνα της μοριακής συμπεριφοράς, όμως η δημιουργία μιας τέτοιας εικόνας υπήρξε εξαιρετικά δύσκολη.
Πώς οι επιστήμονες απεικόνισαν το πραγματικό σχήμα του μορίου
Τώρα, μια διεπιστημονική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν πέτυχε να απεικονίσει την τρισδιάστατη κυματοσυνάρτηση ενός οργανικού μορίου μεγέθους μόλις μερικών νανομέτρων. Οι ερευνητές το πέτυχαν συνδυάζοντας προηγμένη φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων με εξελιγμένους μαθηματικούς αλγορίθμους. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Communications.
Ανασυνθέτοντας μια ασύλληπτη κβαντική κυματοσυνάρτηση
«Η κυματοσυνάρτηση είναι θεμελιώδες μέγεθος στην κβαντομηχανική, ωστόσο δεν μπορεί να παρατηρηθεί ή να μετρηθεί απευθείας», εξηγεί ο καθηγητής Stefan Mathias από το Πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν.
Επειδή η ίδια η κυματοσυνάρτηση δεν μπορεί απλώς να μετρηθεί, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια έμμεση τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων. Η μέθοδος αυτή μετρά την ορμή των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από το μόριο, δίνοντας στους επιστήμονες πρόσβαση στις μισές πληροφορίες της κυματοσυνάρτησης χωρίς να αλλάζει φυσικά η κατάστασή της.
Η συμβολή των αλγορίθμων στην ανασύνθεση
Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκαν προηγμένοι υπολογιστικοί αλγόριθμοι για την ανασύνθεση του μισού που έλειπε. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να παράγει μια εικόνα του πλήρους μοριακού τροχιακού και να διακρίνει λεπτομέρειες που είναι ακόμη μικρότερες από την απόσταση που χωρίζει τα άτομα άνθρακα μέσα στο μόριο.
Μέχρι τώρα, η επέκταση αυτής της προσέγγισης στις τρεις διαστάσεις απαιτούσε χρονοβόρες μετρήσεις σε μεγάλες ερευνητικές εγκαταστάσεις σύγχροτρον. Αυτό έκανε τη μέθοδο πολύ δύσκολη στη χρήση της από τους περισσότερους ερευνητές. Παράλληλα, έβαζε «φρένο» στην προσπάθεια να φτιάξουν τρισδιάστατα βίντεο που θα έδειχναν τα ηλεκτρόνια να κινούνται σε πραγματικό χρόνο, σε επίπεδο ατόμου.
Προς την παραγωγή υπερταχέων τρισδιάστατων βίντεο των μορίων
Ο Δρ. Matthijs Jansen από το Πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν, συνεπιβλέπων της μελέτης, υπογραμμίζει την πρωτοτυπία της προσέγγισης που ακολούθησε η ομάδα: «Εισάγουμε δύο νέες, ισχυρές έννοιες. Πρώτον, ανασχεδιάζοντας τον υπολογιστικό αλγόριθμο από την αρχή, μπορούμε πλέον να λαμβάνουμε αξιόπιστες τρισδιάστατες εικόνες χρησιμοποιώντας πολύ λιγότερα πειραματικά δεδομένα. Δεύτερον, το πείραμα βασίζεται σε μια ισχυρή εργαστηριακή πηγή μαλακών ακτίνων Χ, η οποία παράγει υπερβραχείς παλμούς φωτός. Ο συνδυασμός αυτών των δύο τεχνικών είναι που επιφέρει αυτό το εντυπωσιακό αποτέλεσμα».
Η εργαστηριακή εφαρμογή της νέας μεθόδου
Ο νέος αλγόριθμος χρειάζεται πολύ λιγότερα πειραματικά δεδομένα για να δημιουργήσει μια αξιόπιστη τρισδιάστατη εικόνα. Ταυτόχρονα, οι ερευνητές μπορούν να πραγματοποιούν τις μετρήσεις απευθείας στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας μια ισχυρή πηγή μαλακών ακτίνων Χ που εκπέμπει εξαιρετικά σύντομους παλμούς φωτός. Συνδυάζοντας αυτά τα δύο, η τρισδιάστατη απεικόνιση των κυματοσυναρτήσεων γίνεται πολύ πιο απλή, γρήγορη και εφαρμόσιμη στην πράξη.
Η Δρ. Wiebke Bennecke, συγγραφέας της μελέτης, προσθέτει: «Αυτή η τεχνική μπορεί να σημαίνει ότι η στραβοσκοπική βιντεοσκόπηση γίνεται πραγματικότητα, επιτρέποντάς μας όχι μόνο να παρατηρήσουμε το σχήμα των κυματοσυναρτήσεων, αλλά και να δούμε πώς αυτό αλλάζει με υπερταχεία ανάλυση, ακόμα και της τάξης των φεμτοδευτερολέπτων -δηλαδή ενός τετράκις εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούμε να μάθουμε πώς ένα μόριο προσαρμόζεται σε οπτικές, ηλεκτρονικές ή χημικές αλλαγές και να βρούμε νέους τρόπους να ελέγχουμε αυτές τις αλληλεπιδράσεις σε επίπεδο ελάχιστων ατόμων».
Εάν η τεχνική καταφέρει να επεκταθεί με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές θα μπορέσουν να ξεπεράσουν τις στατικές εικόνες και να παρακολουθήσουν τις μοριακές κυματοσυναρτήσεις να εξελίσσονται στον χρόνο. Τέτοιες παρατηρήσεις θα μπορούσαν να αποκαλύψουν το πώς αντιδρούν τα μόρια στο φως, στα ηλεκτρονικά φαινόμενα και στις χημικές μεταβολές σε κλίμακα φεμτοδευτερολέπτων, προσφέροντας ενδεχομένως στους επιστήμονες νέους τρόπους κατανόησης και ελέγχου των αλληλεπιδράσεων που αφορούν μόλις λίγα άτομα.
