إنها ظاهرة مذهلة: حقق باحثون في المنشأة الأوروبية لمصادر الأشعة السينية فائقة السرعة (European XFEL) في شينيفيلد بالقرب من هامبورغ نجاحًا رائدًا في فيزياء الكم: لأول مرة، تمكنوا من قياس تقلبات نقطة الصفر الكمومية ميكانيكيًا في جزيء معقد بشكل مباشر. النتائج، التي نُشرت في مجلة "ساينس" العلمية، تجعل حركات عالم الكم غير المرئية مرئية وتفتح آفاقًا جديدة لأبحاث الجزيئات.
وفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، لا يمكن للذرات والجزيئات أن تستقر تمامًا حتى في أدنى حالة طاقة، وهي ما يُعرف بالحالة الأساسية. هذه التقلبات الكمومية ميكانيكيًا تسبب "اهتزازًا" مستمرًا للذرات. وقد أثبت فريق بحث دولي بقيادة ريبيكا بول (European XFEL)، ولودجر إنهيستر (DESY)، وتيل يانكه (المعهد الأقصى بلانك لفيزياء النواة، هايدلبرغ) الآن الحركات الكمومية الجماعية في جزيء 2-يودوبيريدين، المكون من أحد عشر ذرة.
استخدم الفريق طريقة تصوير الانفجار الكولومبي (CEI) لإجراء القياسات. تم استخدام نبضات ليزر أشعة سينية فائقة القصر وعالية الكثافة من المنشأة الأوروبية لمصادر الأشعة السينية فائقة السرعة (European XFEL) لتجريد الإلكترونات من ذرات الجزيء. تتنافر الأنوية الذرية الموجبة الشحنة الناتجة عن ذلك مع بعضها البعض وتتطاير بشكل انفجاري. من اتجاهات وسرعات طيران الشظايا، تمكن الباحثون من إعادة بناء الترتيب الأصلي للذرات وتقلباتها الكمومية ميكانيكيًا.
جزيء 2-يودوبيريدين الذي تم فحصه، وهو حلقة بيريدين مع حلقة كربون وذرة نيتروجين وذرة يود، يبدو مستويًا تمامًا في الفيزياء الكلاسيكية. ومع ذلك، أظهرت القياسات حركات للذرات خارج هذا المستوى، والتي تُعزى إلى التقلبات الكمومية ميكانيكيًا. وتتوافق هذه الملاحظات مع عمليات محاكاة مفصلة شملت تقنيات التعلم الآلي. ومن الجدير بالذكر بشكل خاص أن الذرات لا تتذبذب بشكل مستقل عن بعضها البعض، بل تتحرك بأنماط متناسقة.
تم تسجيل البيانات باستخدام المجهر التفاعلي COLTRIMS في محطة تجارب SQS التابعة للمنشأة الأوروبية لمصادر الأشعة السينية فائقة السرعة (European XFEL)، مما يتيح تحديدًا مكانيًا دقيقًا للشظايا. تم التغلب على تحديات مثل الكشف غير المكتمل للشظايا من خلال طريقة تحليل إحصائية تم تطويرها حديثًا، والتي تمكنت من إعادة بناء توزيع الزخم الكامل للجزيء. كما أن الكثافة العالية لنبضات الأشعة السينية سهلت التحلل الموحد للجزيئات، مما بسّط التحليل.
توفر الطريقة الجديدة لتصوير انفجار كولومب، مقارنة بالإجراءات الراسخة مثل علم البلورات بالأشعة السينية، ميزة عدم تقديم قيم متوسطة فحسب، بل تقديم رؤى مفصلة حول ديناميكيات الجزيئات الفردية. في المستقبل، يمكن استخدامها لدراسة جزيئات أكبر وحتى التقاط صور زمنية لحركاتها بدقة أقل من فيمتوثانية واحدة. سيتم تمويل مشروع متابعة في إطار مجموعة التميز "CUI: التصوير المتقدم للمادة" بجامعة هامبورغ، بالتعاون مع DESY، ومعهد ماكس بلانك لبنية المادة وديناميكياتها، و European XFEL.
توضح هذه الورقة بشكل مثير للإعجاب كيف يمكن لأحدث تقنيات الليزر وميكانيكا الكم وتحليل البيانات المتقدمة دفع استكشاف الأنظمة الجزيئية المعقدة.
الورقة الأصلية:
تصوير التقلبات الكمومية الجماعية لبنية جزيء معقد | Science
