Bilim adamları, klasik olarak açıklanamayan 'imkansız' sıfır noktalı hareketi doğrudan ölçer

Goethe Üniversitesi, Frankfurt'taki bilim adamları, en düşük kuantum enerji durumlarında hazırlanan moleküller içindeki atomların sıfır noktalı hareketini doğrudan ölçtüler-ekibin daha önce imkansız olduğu söylenen bir başarı.

Sıfır noktalı hareket, “sıfır noktalı enerji” adı verilen başka bir teorik fenomen nedeniyle kuantum fiziği tarafından tahmin edilmiş olsa da, klasik fizik hala bu hareketin termal enerji olmayan sistemlerde nasıl olabileceğini açıklayamaz.

“Bu sıfır noktalı hareket, klasik olarak açıklanamayan tamamen kuantum mekanik bir fenomendir.” Profesör Goethe Üniversitesi Frankfurt Nükleer Fizik Enstitüsü'nden Jahnke ve Heidelberg'deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü, ekibin bulgularını açıklayan bir basın açıklamasında belirtti.

İçinde klasik fiziktermal enerjisi olmayan moleküller - mutlak sıfır gibi - teorik olarak mükemmel hareketsiz kalmalıdır. Bununla birlikte, modern çalışmalar molekülleri oluşturan atomların bu durumda bile hareket halinde kaldığını göstermiştir. Bu sıfır noktalı hareket, zemin durumunda bile kuantum mekaniğinin izin verdiği minimum enerji olan sıfır nokta enerjisine bağlanmıştır.

Her ne kadar sıfır nokta hareketi ve bu hareketi yönlendiren teorik enerji kuantum fiziği ile karakterize edilebilse de, bu hareketin doğrudan ölçülmesi imkansız olduğu düşünülmüştür. Soğutma numunelerinin mutlak sıfıra kadar maliyeti ve karmaşıklığı ile birlikte, sıfır noktalı hareketin ölçülmesinin birincil engelini, kuantum fiziğinde bir kavramdır. Heisenberg Belirsizlik İlkesi. Heisenberg'e göre, kuantum parçacıklarının hem yerini hem de hızını aynı anda ölçmek imkansızdır.

Çalışma yazarları, “Bu, birisinin tam olarak nerede dans ettiğini ve ne kadar hızlı hareket ettiklerini aynı anda görmeden bir dans gözlemlemek gibi - her zaman birine odaklanmayı seçmelisiniz” diye açıklıyor.

Araştırmacılar ayrıca, bir molekül içindeki çoklu atomların özelliklerinin ölçülmesinin, özellikle iki veya üç atom içeren moleküller için zor olabileceğini belirtiyorlar. Ekibin çalışmayı seçtiği molekül olan iyodopiridinde, 27 farklı modda titreşen on bir atom var, bu da görevi daha da karmaşık hale getiriyor.

İmkansızı elde etmek için ekip, dünyanın en büyük X-ışını lazeri olan Hamburg, Almanya'daki Avrupa XFEL'e erişim kazandı. Coulomb patlama görüntüleme adı verilen bir teknik kullanarak, yüksek enerjili lazeri ultrashort, yüksek yoğunluklu röntgen darbeleri ile bir iyodopiridin örneğini bombalamak için yönlendirdiler. Bu lazer darbeleri, moleküllerin kontrollü bir patlamaya maruz kalmasını tetikledi, bu da ekibin altta yatan yapılarının yüksek çözünürlüklü görüntülerini çekmesine izin verdi.

Ekip, güçlü bir röntgen darbesinin “birçok elektronu molekülden çıkardığını” ve atomların olumlu yüklenmesine neden olduğunu açıkladı. Bu yeni pozitif yük durumu, atomların birbirlerini itmesine ve “saniyenin trilyonda bir kısmında” ayrılmasına neden olur. Bu kısa aralık sırasında, özel bir cihaz atomun etki zamanını ve konumunu ölçer ve ekibin molekülün orijinal yapısını yeniden yapılandırmasına izin verir.

Umduğu gibi, deneyler atomların sıfır noktalı hareketini yakaladı. Ekip, bu “atomların dansını” yakalayarak, her atomun kesin koreografisini ve beklenmedik başka bir şeyi ortaya çıkardığını kaydetti: atomların koordineli bir şekilde dans ettiği görülüyordu.

Jahnke, “Çalışmamızla ilgili heyecan verici şey, atomların sadece ayrı ayrı titreşmediğini, ancak sabit kalıpları takip ederek birleştirilmiş bir şekilde titreştiğini görebildiğimizdir” diye açıkladı. “Bu davranışı en düşük enerji durumlarında olan bireysel orta ölçekli moleküllerde ilk kez doğrudan ölçtük.”

Takımın sıfır noktalı hareketi görüntülemesi benzeri görülmemiş olsa da, Jahnke uzun bir geçmişi olduğunu söyledi. Özellikle, çalışmada kullanılan gerçek veriler, alakasız bir deney sırasında altı yıl önce toplandı.

“Başlangıçta 2019'da Rebecca Boll'un Avrupa XFEL'de tamamen farklı bir hedefi olan bir ölçüm kampanyası sırasında topladık” diye açıkladı. “İki yıl sonra aslında sıfır noktalı hareket belirtileri gördüğümüzü fark ettik.”

Coltrims reaksiyon mikroskobunun özel bir versiyonunu oluşturan Dr. Gregor Kastirke, özellikle patlayan atomları görüntülemek için kullanılan Avrupa XFEL için özel olarak tasarlandı, aracı bu kadar önemli bir şekilde görmenin unutulmaz bir deneyim olduğunu söyledi.

“Bu tür çığır açan sonuçlara tanık olmak beni biraz gururlandırıyor,” dedi Kastirke. “Sonuçta, sadece yıllarca hazırlık ve yakın ekip çalışması boyunca ortaya çıkıyorlar.”

Çalışmanın sonucunda Jahnke, Hamburg'daki Serbest Elektron Lazer Bilimi Merkezi'nden meslektaşlarıyla önemli işbirliğini not ediyor. Tamamen yeni analiz yöntemlerini icat eden Benoît Richard ve Ludger Inhester, “veri yorumumuzu tamamen yeni bir seviyeye yükseltti”.

Jahnke, “Geriye dönüp baktığımızda, birçok bulmaca parçası mükemmel bir şekilde bir araya gelmek zorunda kaldı” diye ekledi.

Takım lideri ayrıca ekibinin yöntemlerini sürekli olarak geliştirdiğini ve bir sonraki sıfır noktalı hareket deneyleri serisini “planladığını” belirtti.

“Amacımız atomların dansının ötesine geçmek ve elektronların dansını da gözlemlemektir - önemli ölçüde daha hızlı ve atomik hareketten etkilenen bir koreografi” diye açıkladı. “Cihazımızla, bir zamanlar hayal edilemez bir şey olan gerçek moleküler süreçlerin gerçek kısa filmleri yaratabiliriz.”

Çalışma, "Karmaşık bir molekülün yapısının kolektif kuantum dalgalanmaları görüntüleme” Bilim.

Christopher Plain, Debrief'te bir bilim kurgu ve fantezi romancı ve baş bilimi yazarıdır. Onu takip edin ve onunla bağlantı kur X- Kitapları hakkında bilgi edinin plainfiction.comveya doğrudan ona e -posta gönderin [email protected].