É uma sensação: Pesquisadores do European XFEL em Schenefeld, perto de Hamburgo, alcançaram um sucesso inovador na física quântica: pela primeira vez, eles conseguiram medir diretamente as flutuações quânticas de ponto zero em uma molécula complexa. Os resultados, publicados na revista científica "Science", tornam visíveis os movimentos invisíveis do mundo quântico e abrem novas perspectivas para a pesquisa molecular.
De acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, átomos e moléculas não podem parar completamente, mesmo no estado de menor energia, o chamado estado fundamental. Essas flutuações quânticas de ponto zero causam um "tremor" constante dos átomos. Uma equipe internacional de pesquisa, liderada por Rebecca Boll (European XFEL), Ludger Inhester (DESY) e Till Jahnke (Instituto Max Planck de Física Nuclear, Heidelberg), agora detectou os movimentos quânticos coletivos na molécula de 2-iodopiridina, composta por onze átomos.
Para as medições, a equipe utilizou o método de imagem de explosão de Coulomb (CEI). Pulsos de laser de raios-X ultracurtos e de alta intensidade do European XFEL foram usados para arrancar elétrons dos átomos da molécula. Os núcleos atômicos, agora positivamente carregados, repeliram-se mutuamente e explodiram. A partir das direções e velocidades de voo dos fragmentos, os pesquisadores puderam reconstruir a disposição original dos átomos e suas flutuações quânticas.
A molécula de 2-iodopiridina estudada, um anel de piridina com um anel de carbono, um átomo de nitrogênio e um átomo de iodo, parece completamente planar na física clássica. No entanto, as medições mostraram movimentos de átomos fora desse plano, atribuíveis a flutuações quânticas. Essas observações concordaram com simulações detalhadas que incluíram métodos de aprendizado de máquina. É particularmente notável que os átomos não oscilam independentemente uns dos outros, mas se movem em padrões coordenados.
Os dados foram registrados com o microscópio de reação COLTRIMS na estação experimental SQS do European XFEL, que permite uma atribuição espacial precisa dos fragmentos. Desafios como a detecção incompleta de fragmentos foram superados por um método de análise estatística recém-desenvolvido, que pôde reconstruir a distribuição completa do momento do momento da molécula. A alta intensidade dos pulsos de raios-X também garantiu a fragmentação uniforme das moléculas, o que facilitou a análise.
O novo método de imagem de explosão de Coulomb oferece, em comparação com métodos estabelecidos como a cristalografia de raios-X, a vantagem de fornecer não apenas valores médios, mas também insights detalhados sobre a dinâmica de moléculas individuais. No futuro, moléculas maiores poderão ser examinadas e até mesmo imagens em resolução de tempo de seus movimentos com uma resolução inferior a um femtossegundo poderão ser criadas. Um projeto subsequente está sendo financiado no âmbito do cluster de excelência “CUI: Advanced Imaging of Matter” da Universidade de Hamburgo, em cooperação com o DESY, o Instituto Max Planck de Estrutura e Dinâmica da Matéria e o European XFEL.
Este trabalho demonstra de forma impressionante como a tecnologia laser de ponta, a mecânica quântica e a análise de dados avançada podem impulsionar a pesquisa de sistemas moleculares complexos.
Artigo Original:
Imagem das flutuações quânticas coletivas da estrutura de uma molécula complexa | Science
