Первые кадры сверхбыстрого вращения молекулы

Представьте себе, что вы пытаетесь запечатлеть на камеру событие, которые занимает всего 125 триллионных долей секунды. Звучит как нечто невыполнимое, однако молекулярным физикам это удалось — спустя долгие годы они наконец достигли своей цели.

Используя точно настроенные импульсы лазерного света, международная команда ученых из четырех различных учреждений сумела снять сверхбыстрое вращение молекулы. «Мы записали целый молекулярный фильм с высоким разрешением, а в качестве пилотного проекта выбрали сверхбыстрое вращение молекулы карбонилсульфида», рассказал физик Эвангелос Карамацкос из DESY, крупнейшего ускорительного центра Германии. «Уровень детализации, который мы смогли достичь, указывает на то, что наш метод может быть использован для создания образовательных фильмов о динамике других процессов и молекул», отметил он.

Чтобы продемонстрировать всего лишь полуторакратный оборот вокруг оси, исследователям пришлось совместить в один короткий ролик 651 кадр. На самом деле весь видеоряд длится лишь 125 пикосекунд, но ученые замедлили его для упрощения восприятия.

 

Так что же происходит на самом деле? Когда вещество находится в газообразном состоянии, молекулы расположены на сравнительно небольшом отдалении друг от друга, а потому могут свободно вращаться вокруг своих осей. Это вращение подчиняется правилам квантовой механики. В данном случае речь идет о газе, молекулы которого состоят из 1 атома кислорода, 1 атома углерода и 1 атома серы — это простая и удобная модель. Однако глава исследовательской группы, физик Йохен Кюппер, говорит, что не нужно думать о молекуле как о вращающейся палке или волчке.

«Процессы, что мы наблюдаем, происходят с невероятно малыми телами, а потому регулируются квантовой механиков. В этом масштабе предметы — в нашем случае атомы и молекулы — начинают вести себя совсем не так, как мы привыкли в обычном мире», уточняет он. По словам физика, положение и импульс молекулы не могут быть определены одновременно и с высокой точностью. Фактически, все, что мы можем сделать — это определить некую вероятность нахождения молекулы в конкретной точке пространства в определенный момент времени.

В какой-то момент молекула может обращаться в нескольких направлениях одновременно, как бы парадоксально это не звучало. Однако это происходит с некой периодичностью — физики выяснили это, сравнивая кадры по‑отдельности. Они увидели, что каждые 82 пикосекунды изображения начинают повторяться — это и есть период вращения конкретной молекулы карбонилсульфида.

Авторы надеются, что их новая методика может помочь нам изучить другие молекулы и процессы, такие как внутреннее скручивание. Оно характерно для так называемых хиральных соединений, представляющих собой молекулы, существующие в двух формах, каждая из которых является зеркальным отражением другой.