Фізики відтворили приховану 3D форму квантової хвильової функції

08 серпня 2026 р. 22:04

08 серпня 2026 р. 22:04

Фізики Університету Ґеттінґена продемонстрували спосіб відтворення повної тривимірної хвильової функції електронів у молекулі, використовуючи настільне джерело м’якого рентгенівського випромінювання та спеціально розроблені математичні алгоритми. Про роботу докладно розповідає видання SciTechDaily .

В електроніці та хімії електрон усередині молекули не має однієї фіксованої позиції. Квантова механіка описує його за допомогою хвильової функції — математичної карти, що задає ймовірність різних значень, зокрема координати та імпульсу. Для молекул ці хвильові функції називають молекулярними орбіталями, а їхня форма багато розповідає про те, як молекула поглинає світло, взаємодіє з оточенням або вступає в хімічні реакції.

Як «сфотографувати» хвильову функцію

Повна тривимірна карта хвильової функції дає надзвичайно потужний інструмент для аналізу поведінки молекул. Однак безпосередньо виміряти цю величину неможливо: вона не є спостережуваною у прямому сенсі квантової механіки.

Команда з Ґеттінґена обрала непрямий шлях і використала фотоелектронну спектроскопію. У цьому методі на молекулу спрямовують випромінювання, воно вибиває електрони, а дослідники вимірюють їхній імпульс. Такі вимірювання містять інформацію про одну «половину» хвильової функції, при цьому сам квантовий стан безпосередньо не руйнується в момент отримання даних.

Далі в гру вступають чисельні розрахунки. Використавши вдосконалені алгоритми, дослідники обчислили відсутню частину інформації й таким чином реконструювали повний молекулярний орбіталь. За їхніми оцінками, просторові деталі вдалося відтворити на масштабах, менших за відстань між сусідніми атомами вуглецю в молекулі.

Приклад: орбіталь органічної молекули PTCDA

Одним із об’єктів, для яких вчені побудували тривимірну хвильову функцію, стала органічна молекула PTCDA, яку використовують, зокрема, у виробництві червоних барвників завдяки її сильній взаємодії зі світлом. На отриманому «знімку» показано найвищий зайнятий молекулярний орбіталь цієї сполуки.

У центрі демонстраційного зображення подано тривимірну форму орбіталі, а з боків — зрізи через неї на відстані 1 ангстрем (одна десятимільярдна частка метра) від центра молекули. Це дозволяє побачити, як розподіляється ймовірність перебування електрона в різних частинах простору навколо атомів.

Настільний рентген та «легкий» алгоритм

Автори підкреслюють, що раніше подібну тривимірну реконструкцію орбіталей виконували на великих синхротронних установках. Такі експерименти потребували тривалих вимірювань і складної інфраструктури, що сильно обмежувало можливості методу, особливо коли йшлося про швидкі, «динамічні» процеси на масштабах окремих атомів.

Ключ до нового підходу — два технічні кроки. По-перше, дослідники повністю переробили алгоритм реконструкції, завдяки чому для надійного тривимірного зображення тепер потрібно значно менше експериментальних даних . По-друге, замість громіздких установок вони застосували потужне лабораторне джерело м’якого рентгенівського (екстремального ультрафіолетового) випромінювання, яке генерує надкороткі імпульси.

У поєднанні це робить тривимірну «томографію» орбіталей більш доступною технологією, яку можна реалізувати в науковій лабораторії без звернення до великих національних центрів.

Шлях до квантових відео молекул

Оскільки новий алгоритм зменшує обсяг потрібних даних, а джерело випромінювання забезпечує надкороткі імпульси, відкривається перспектива створювати так звану стробоскопічну відеозйомку хвильових функцій. Дослідники прогнозують, що в майбутньому можна буде не лише фіксувати форму орбіталей, а й спостерігати, як вона змінюється з часом з надшвидкою, аж до фемтосекундної (одна квадрильйонна частка секунди), роздільною здатністю.

Такі «молекулярні фільми» покажуть, як окремі молекули реагують на оптичні, електронні чи хімічні збудження та як саме перебудовуються їхні електронні орбіталі. Це може вказати нові способи керування подібними процесами на рівні кількох атомів — наприклад, у фотохімії, органічній електроніці чи розробці нових матеріалів.

Наука