3D olarak görüntülenen moleküler yörüngeler, femtosaniyelik videolara yol açıyor

Kuantum mekaniğinin en ünlü ve ilgi çekici sonuçlarından biri, elektronlar gibi temel parçacıkların tek bir konuma sabitlenemeyeceğinin bulunmasıdır. Bunun yerine, bir parçacık, araştırmacıların konumu ve momentumu gibi temel özelliklerinin olasılık dağılımlarını (olasılıkları gösteren bir tür matematiksel harita) elde etmelerine olanak tanıyan “dalga fonksiyonu” ile tanımlanır. Özellikle bir molekül içindeki “moleküler yörüngeler” olarak bilinen elektron dalga fonksiyonları, molekülün çevresiyle nasıl etkileşime girdiği hakkında bilgi taşır. Örneğin ışığı nasıl emebildiğini veya kimyasal reaksiyonun nasıl gerçekleşebileceğini gösteriyorlar.

Sonuç olarak, üç boyutlu dalga fonksiyonunun tamamının bilinmesi son derece arzu edilir bir durumdur, ancak dalga fonksiyonunun görüntülenmesinin büyük bir deneysel zorluk olduğu kanıtlanmıştır. Göttingen Üniversitesi’ndeki disiplinlerarası bir araştırma ekibi artık nanometre boyutunda bir organik molekülün üç boyutlu dalga fonksiyonunu görüntülemeyi başardı. Son teknoloji ürünü fotoelektron spektroskopisini güçlü matematiksel algoritmalarla birleştirerek sınırlamaların üstesinden geldiler. Sonuçlar şurada yayınlanır: Doğa İletişimi.

Eksik yarımın yeniden inşası

Göttingen Üniversitesi’nden Profesör Stefan Mathias şöyle açıklıyor: “Dalga fonksiyonu kuantum mekaniğinde temel bir niceliktir, ancak doğrudan gözlemlenemez veya ölçülemez.” Bunun yerine ekip dolaylı bir yaklaşıma güvendi: fotoelektron spektroskopisi; bu yöntemde, dalga fonksiyonunun bir yarısına, durumunu fiziksel olarak değiştirmeden erişim sağlamak için yayılan elektronların momentumu ölçülür. Gelişmiş bilgisayar algoritmaları daha sonra diğer yarısını çıkararak araştırmacıların moleküler yörüngenin tamamını görüntülemesine ve molekülü oluşturan karbon atomları arasındaki mesafeden daha küçük olan özellikleri çözmesine olanak tanıdı.

Bununla birlikte, bu prensibin 3D’de uygulanması, daha önce büyük ölçekli senkrotron tesislerinde zaman yoğun ölçümler gerektiriyordu, bu da yaygın uygulamasını ve özellikle de atom ölçeğinde bir 3D videoda “dinamik” dalga fonksiyonlarının görüntülenmesine genişletilmesini sınırlıyordu.

Statik görüntülerden ultra hızlı videoya

Göttingen Üniversitesi’nden ve çalışmanın eşbaşkanlarından Dr. Matthijs Jansen, ekibin yaklaşımının orijinalliğini vurguluyor: “İki güçlü yeni konsept sunuyoruz. Birincisi, bilgisayar algoritmasını baştan sona yeniden tasarlayarak, güvenilir 3D görüntüler artık çok daha az deneysel veri kullanılarak elde edilebiliyor. İkincisi, deney, ultra kısa ışık darbeleri sağlayan güçlü, laboratuvar tabanlı bir yumuşak X-ışını ışık kaynağına dayanıyor. Bu dikkate değer etkiye sahip olan, bu iki tekniğin birleşimidir.”

Çalışmanın ilk yazarı Dr. Wiebke Bennecke şunları ekliyor: “Bu teknik, stroboskopik videografinin gerçeğe dönüşmesi anlamına gelebilir; bu bize sadece dalga fonksiyonlarının şekillerini gözlemlemekle kalmayıp aynı zamanda ultra hızlı çözünürlükle (femtosaniye veya saniyenin katrilyonda biri kadar) nasıl değiştiklerini de görmemize olanak tanır. Bu, bir molekülün optik, elektronik veya kimyasal değişikliklere nasıl uyum sağladığını öğrenebileceğimiz ve bu etkileşimleri birkaç atom düzeyinde kontrol etmenin yeni yollarını bulabileceğimiz anlamına gelebilir.”