Первое фото атома водорода

via
Вы смотрите на первое непосредственное изображение электронной орбитали атома – на «фотографию» его волновой функции! Для получения изображения исследователи воспользовались новейшим квантовым микроскопом.

Орбиталь – это поверхность пространство вокруг атомного ядра, в которой могут двигаться электроны. Электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной линии-орбите, а занимает некоторую область пространства. Для описания этих состояний материи, ученые пользуются волновыми функциями, полученными решением уравнения Шрёдингера для данного атома.

И реально увидеть волновую функцию до этого ученым не удавалось. «Поймать» точное местоположение атома или механический момент одинокого электрона – это как ловить рой мух одно рукой. Непосредственное наблюдение нарушает квантовую когерентность. Чтобы запечатлеть квантовое состояние, требуется инструмент, способный вывести среднее значение от множества наблюдений.

Но как увидеть в увеличенном виде микросостояния квантовой частицы? С помощью квантового микроскопа, работающего по принципу фотоионизации.

Анета Стодолна (Aneta Stodolna) из Института атомной и молекулярной физики Фонда фундаментальных исследований в области материи (Нидерланды) и ее коллеги описали процесс картографирования узловой структуры орбитали атома водорода, помещенного в статическое электрическое поле.

После «атаки» на атом лазерными импульсами, ионизированные электроны покинули его и устремились по определенной траектории к двухмерному детектору (детектору на базе микроканальных пластин). Электроны могут достичь одну и ту же точку на детекторе по многим траекториям – так ученые получают интерференционный узор, отражающий узловую структуру волновой функции. А электростатическая линза увеличила изображение волны электронов в 20,000 раз.
В планах ученых – посмотреть, с помощью той же технологии, на поведение атомов в магнитном поле.

Данные исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

На схеме: примеры четырех состояний атома водорода. В средней колонке – данные экспериментальных наблюдений, в правой – расчеты по уравнению Шрёдингера.