Физики из Гёттингенского университета впервые получили трёхмерное изображение молекулярной орбитали – волновой функции электрона внутри органической молекулы. Эти квантовые структуры определяют, как молекула поглощает свет и вступает в химические реакции, однако до сих пор получить их полный объёмный снимок было крайне сложно.
Прямо измерить волновую функцию невозможно, поэтому исследователи применили косвенный метод. С помощью фотоэлектронной спектроскопии они определили импульс электронов, покинувших молекулу. Эти данные позволили восстановить одну половину информации о волновой функции, а недостающую часть реконструировали с помощью новых математических алгоритмов. Точность метода позволяет различать детали, которые меньше расстояния между атомами углерода в молекуле.
Раньше для подобных трёхмерных построений требовались длительные измерения на крупных и дорогостоящих синхротронах. Немецкие учёные смогли провести эксперимент в лабораторных условиях. Прорыв стал возможен благодаря двум нововведениям: кардинально переработанному алгоритму, которому требуется меньше данных для построения изображения, и мощному лабораторному источнику мягкого рентгеновского излучения, генерирующему сверхкороткие световые импульсы.
Как отмечают авторы исследования в журнале Nature Communications, новая технология открывает путь к созданию видеороликов, которые показывают динамику молекулярных процессов. Это позволит наблюдать за изменениями волновых функций с фемтосекундным разрешением – за одну квадриллионную долю секунды. Учёные смогут в реальном времени увидеть, как молекула реагирует на свет или химические воздействия, и научиться управлять этими процессами на уровне отдельных атомов.
