Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben een methode ontwikkeld om de verstrengeling tussen elektronen visueel in beeld te brengen. Omdat deze correlaties een prominente rol spelen bij het bepalen van de golffunctie van een molecuul - die de kwantumtoestand van het molecuul beschrijft - gebruikten de onderzoekers de nieuwe methode om de eerste afbeeldingen te maken van het kwadraat van de twee-elektronengolffunctie van een waterstof (H ₂ ) molecuul.

Hoewel er al talloze technieken bestaan ​​om de individuele elektronen van atomen en moleculen in beeld te brengen, dit is de eerste methode die de correlaties tussen elektronen direct in beeld kan brengen en onderzoekers in staat stelt te onderzoeken hoe de eigenschappen van elektronen van elkaar afhankelijk zijn.

De onderzoekers, M. Waitz et al., van verschillende instituten in Duitsland, Spanje, de VS, Rusland, en Australië, hebben een paper over de nieuwe beeldvormingsmethode gepubliceerd in een recent nummer van: Natuurcommunicatie .

"Er zijn andere methoden waarmee men correlaties uit verschillende waarnemingen kan reconstrueren; naar mijn weten, dit is de eerste keer dat iemand een krijgt direct beeld van correlaties door alleen naar een spectrum te kijken, " vertelde co-auteur Fernando Martín aan de Universidad Autónoma de Madrid Phys.org . "De opgenomen spectra zijn identiek aan de Fourier-transformaties van de verschillende stukken van het kwadraat van de golffunctie (of gelijkwaardig, naar de weergave van de verschillende delen van de golffunctie in de impulsruimte). Er is geen reconstructie of filtering of transformatie nodig:het spectrum reflecteert direct stukken van de golffunctie in de impulsruimte."

De nieuwe methode omvat het combineren van twee beeldvormende methoden die al veel worden gebruikt:foto-elektronenbeeldvorming en het samenvallen van reactiefragmenten. De onderzoekers gebruikten beide methoden tegelijkertijd door de eerste methode op één elektron te gebruiken om dat elektron op een detector te projecteren, en het gebruik van de tweede methode op het andere elektron om te bepalen hoe de eigenschappen ervan veranderen als reactie.

Het gelijktijdige gebruik van beide methoden onthult hoe de twee elektronen gecorreleerd zijn en levert een beeld op van het kwadraat van de H ₂ gecorreleerde twee-elektronengolffunctie. De natuurkundigen benadrukken één belangrijk punt:dat dit afbeeldingen zijn van het kwadraat van de golffunctie, en niet de golffunctie zelf.

"De golffunctie is niet waarneembaar in de kwantumfysica, dus het kan niet worden waargenomen, "Zei Martín. "Alleen het kwadraat van de golffunctie is waarneembaar (als je de tools hebt om het te doen). Dit is een van de basisprincipes van de kwantumfysica. Degenen die beweren dat ze de golffunctie kunnen waarnemen, gebruiken niet de juiste taal omdat dit niet mogelijk is:wat ze doen is het te reconstrueren uit een aantal gemeten spectra door enkele benaderingen te maken. Het kan nooit een directe waarneming zijn."

De onderzoekers verwachten dat de nieuwe aanpak ook gebruikt kan worden om moleculen met meer dan twee elektronen in beeld te brengen, door de reactiefragmenten van meerdere elektronen te detecteren. De methode zou ook kunnen leiden tot het vermogen om correlaties tussen de golffuncties van meerdere moleculen in beeld te brengen.

"Blijkbaar, de natuurlijke stap die moet worden gevolgd, is om een ​​vergelijkbare methode te proberen in meer gecompliceerde moleculen, " zei Martín. "Hoogstwaarschijnlijk, de methode werkt voor kleine moleculen, maar het is niet duidelijk of het zal werken in zeer complexe moleculen. Niet vanwege beperkingen in het basisidee, maar vooral vanwege experimentele beperkingen, omdat toevalsexperimenten in complexe moleculen veel moeilijker te analyseren zijn vanwege de vele nucleaire vrijheidsgraden."

Het vermogen om elektron-elektroncorrelaties en de bijbehorende moleculaire golffuncties te visualiseren, heeft verstrekkende implicaties voor het begrijpen van de basiseigenschappen van materie. Bijvoorbeeld, een van de meest gebruikte methoden voor het benaderen van een golffunctie, de Hartree-Fock-methode genoemd, houdt geen rekening met elektron-elektroncorrelaties en, als resultaat, vaak niet eens met waarnemingen.

In aanvulling, elektron-elektroncorrelaties vormen de kern van fascinerende kwantumeffecten, zoals supergeleiding (wanneer de elektrische weerstand bij zeer lage temperaturen tot nul daalt) en gigantische magnetoweerstand (wanneer de elektrische weerstand sterk afneemt als gevolg van de parallelle uitlijning van de magnetisatie van nabijgelegen magnetische lagen). Elektronencorrelaties spelen ook een rol bij de gelijktijdige emissie van twee elektronen uit een molecuul dat een enkel foton heeft geabsorbeerd, een fenomeen dat 'dubbele ionisatie van één foton' wordt genoemd.

En tenslotte, de resultaten kunnen ook leiden tot praktische toepassingen, zoals het vermogen om correlatiebeeldvorming te realiseren met veldelektronenlasers en met lasergebaseerde röntgenbronnen.

© 2018 Fys.org