Kvant mexanikası uzun müddətdir ki, bir cismin müəyyən bir anda dəqiq bir yer tutması lazım olduğuna dair tanış ideyaya meydan oxuyur. Elektron kimi fundamental hissəciklər isə tədqiqatçıların mövqe və impuls kimi xüsusiyyətlərin ehtimallarını hesablamaq üçün istifadə edə biləcəkləri riyazi bir təsvir olan “dalğa funksiyası” ilə təsvir olunur.

Molekulların içərisində elektron dalğa funksiyaları “molekulyar orbitallar” kimi tanınır. Bu orbitallar bir molekulun ətraf mühitlə necə davranması və qarşılıqlı təsiri, o cümlədən işığı necə udması və kimyəvi reaksiyaların necə baş verə biləcəyi haqqında dəyərli məlumatlar ehtiva edir. Buna görə də dalğa funksiyasının tam üçölçülü təsvirini əldə etmək alimlərə molekulyar davranış haqqında güclü bir fikir verərdi, lakin belə bir təsvir yaratmaq olduqca çətin olmuşdur.

İndi Göttingen Universitetinin fənlərarası qrupu, yalnız nanometr ölçüsündə üzvi molekulun üçölçülü dalğa funksiyasını uğurla görüntüləyib. Tədqiqatçılar bunu qabaqcıl fotoelektron spektroskopiyasını mürəkkəb riyazi alqoritmlərlə birləşdirərək əldə ediblər. Onların tapıntıları Nature Communications jurnalında dərc edilib .

Qeyri-müəyyən Kvant Dalğa Funksiyasının Yenidən Qurulması

Göttingen Universitetinin professoru Stefan Matias izah edir: “Dalğa funksiyası kvant mexanikasında fundamental bir kəmiyyətdir, lakin onu birbaşa müşahidə etmək və ya ölçmək mümkün deyil”.

Dalğa funksiyasının özünü sadəcə ölçmək mümkün olmadığı üçün tədqiqatçılar fotoelektron spektroskopiyası adlanan dolayı bir texnikadan istifadə etdilər. Metod molekuldan yayılan elektronların impulsunu ölçür və alimlərə dalğa funksiyasının vəziyyətini fiziki olaraq dəyişdirmədən onun yarısına giriş imkanı verir.

Daha sonra itkin yarısını yenidən qurmaq üçün qabaqcıl kompüter alqoritmlərindən istifadə edildi. Bu, komandaya tam molekulyar orbitalın görüntüsünü yaratmağa və molekuldakı karbon atomlarını ayıran məsafədən daha kiçik xüsusiyyətləri ayırd etməyə imkan verdi.

İndiyə qədər bu yanaşmanı üç ölçüyə genişləndirmək üçün əsas sinxrotron tədqiqat müəssisələrində uzun ölçmələr tələb olunurdu. Bu tələb texnikanın geniş istifadəsini çətinləşdirirdi və atom miqyasında “dinamik” dalğa funksiyalarını üçölçülü videolar kimi təsvir etmək səyləri üçün xüsusilə böyük bir maneə yaradırdı.

Molekulların Ultra Sürətli 3D Filmlərinə Doğru

Göttingen Universitetindən Dr. Matthijs Jansen və tədqiqatın həmrəy rəhbəri komandanın yanaşmasının orijinallığını vurğulayır: “Biz iki güclü yeni konsepsiya təqdim edirik. Birincisi, kompüter alqoritmini sıfırdan yenidən dizayn etməklə, indi daha az eksperimental məlumatlardan istifadə edərək etibarlı 3D şəkillər əldə etmək mümkündür. İkincisi, təcrübə ultra qısa işıq impulsları təmin edən güclü, laboratoriya əsaslı yumşaq rentgen işıq mənbəyinə əsaslanır. Bu əlamətdar təsirə malik olan bu iki texnikanın kombinasiyasıdır.”

Yenidən işlənmiş alqoritm etibarlı üçölçülü təsvirlər yaratmaq üçün tələb olunan eksperimental məlumatların miqdarını kəskin şəkildə azaldır. Eyni zamanda, tədqiqatçılar ölçmələri laboratoriyada son dərəcə qısa işıq impulsları yaradan güclü yumşaq rentgen mənbəyindən istifadə etməklə həyata keçirə bilərlər. Birlikdə, bu irəliləyişlər üçölçülü dalğa funksiyası görüntüləməsini daha praktik edə bilər.

Tədqiqatın ilk müəllifi Dr. Wiebke Bennecke əlavə edir: “Bu texnika stroboskopik videoqrafikanın reallığa çevrilməsi demək ola bilər ki, bu da bizə yalnız dalğa funksiyalarının formasını deyil, həm də onun ultrasürətli, hətta femtosaniyə və ya saniyənin kvadrilyonda biri olan qətnamə ilə necə dəyişdiyini görməyə imkan verir. Bu o deməkdir ki, biz bir molekulun optik, elektron və ya kimyəvi dəyişikliklərə necə uyğunlaşdığını öyrənə və bu qarşılıqlı təsirləri bir neçə atom səviyyəsində idarə etməyin yeni yollarını tapa bilərik.”

Əgər texnika bu şəkildə genişləndirilə bilsə, tədqiqatçılar statik görüntülərdən kənara çıxa və molekulyar dalğa funksiyalarının zamanla inkişaf etdiyini izləyə bilərlər. Bu cür müşahidələr molekulların işığa, elektron effektlərə və femtosaniyə zaman şkalasında kimyəvi dəyişikliklərə necə reaksiya verdiyini ortaya qoya bilər və bu da alimlərə yalnız bir neçə atomun iştirak etdiyi qarşılıqlı təsirləri anlamaq və idarə etmək üçün yeni yollar verə bilər.