echo's, geluiden die worden herhaald of weerkaatsen als gevolg van golven die worden teruggekaatst naar de luisteraar, komen voor in verschillende fysieke systemen. Bij natuurkundig onderzoek echo's worden meestal gebruikt om de effecten van defasering veroorzaakt door de interactie van een systeem met de omgeving te elimineren, evenals om de inherente eigenschappen van bepaalde objecten te onthullen.

Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science en de East China Normal University (ECNU) hebben experimenteel kwantumgolfpakketecho's waargenomen in een enkele, geïsoleerd molecuul. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Natuurfysica , zou nieuwe instrumenten kunnen introduceren voor het onderzoeken van ultrasnelle intramoleculaire processen in moleculen.

"Dit werk kwam naar voren als resultaat van een discussie die we in 2017 met onze Chinese collega's hadden, tijdens FRISNO, een workshop over niet-lineaire optica, georganiseerd door het Weizmann Instituut in een schilderachtige Kibbutz Ein Gedi, net naast de Dode Zee, "Professor Ilja Averbukh, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Eerder, we hadden een voortdurende succesvolle samenwerking met de Shanghai-groep, evenals met een Frans team van de Universiteit van Bourgondië, Dijon, focussen op echo's in moleculaire rotatie."

De theoretische analyse die aanvankelijk door Averbukh en zijn collega's werd uitgevoerd, suggereerde dat rotatie-echo's die in moleculaire gassen worden waargenomen, hun tegenhangers zouden moeten hebben in moleculaire vibratiedynamica, een voorspelling die later werd bevestigd door hun experimenten. Toen ze begonnen met het uitvoeren van experimenten, echter, de onderzoekers realiseerden zich dat met het meetsysteem dat bij ECNU wordt gebruikt ook het zogenaamde 'echo-effect' in extreem ijle gassen kan worden waargenomen, en mogelijk zelfs in een enkel molecuul.

Het apparaat dat de onderzoekers van de Chinese instelling gebruiken is, in feite, signalen van individuele moleculen kunnen detecteren, een per keer. Toen ze dit beseften, het team ging op zoek naar kwantumgolfpakketecho's in een individueel molecuul. De moleculen die in hun experiment werden gebruikt, waren vibrerend koud, vandaar dat de interactie van alle moleculen met de laservelden vanuit dezelfde begintoestand begon en wordt beheerst door de regels van de kwantummechanica.

"Gebruikelijk, echo's verschijnen in ensembles met veel spins, atomen of moleculen waarvan de eigenschappen enigszins verspreid zijn, "Averbukh zei. "In het geval van enkele moleculen, de benodigde 'onzekerheid' wordt geïntroduceerd door de magie van de kwantummechanica. Terwijl alle moleculen vanuit dezelfde begintoestand vertrekken en door exact dezelfde laservelden worden geëxciteerd, hun toestand na de excitatie is niet volledig bekend en de moleculen bestaan ​​in een 'superpositie' van meerdere kwantumvibratietoestanden."

De effecten die door Averbukh en zijn collega's zijn onderzocht, lijken op de effecten die zijn geïntroduceerd in een beroemd gedachte-experiment van Richard Feynman, die in 1965 de Nobelprijs voor Natuurkunde won. In dit 'gedanken-experiment', Feynman overwoog om elektronen één voor één door twee dicht bij elkaar liggende spleten te sturen, en het verzamelen van signaal van een scherm achter deze spleten. Als er geen aanvullende metingen worden ingevoerd, de wetten van de kwantummechanica voorkomen dat onderzoekers weten door welke spleet elk afzonderlijk elektron is gegaan. Als resultaat, terwijl individuele elektronen willekeurig over het scherm worden verspreid, wanneer het experiment vele malen wordt herhaald, vormen de afzonderlijke klikken op het scherm een ​​interferentiepatroon dat wordt veroorzaakt door deze 'kwantumonzekerheid'.

"In ons geval, kwantuminterferentie vindt plaats in elk individueel molecuul en het manifesteert zich in het tijdsdomein in plaats van in de reguliere ruimte, " legde Averbukh uit. "In zekere zin, ons werk presenteert een intramoleculaire tijdsopgeloste versie van het gedachte-experiment van Feynman."

In de experimenten uitgevoerd door Averbukh en zijn collega's, de spatiotemporele dynamiek van kwantumgolfpakketecho's in een geïsoleerd enkel molecuul werd gevisualiseerd met femtoseconde- en Angstrom-resoluties. Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een techniek om toeval te detecteren, bedacht door het team van ECNU in een ultrahoge vacuümkamer.

"De moleculen werken één voor één samen met de laserpulsen en worden afzonderlijk gemeten, "Professor Jian Wu, die het team leidde dat de experimenten uitvoerde bij ECNU, vertelde Phys.org. "Vergelijkbaar met de interferentie-experimenten met één deeltje, bijv. enkele elektronen of enkele fotonen die door een dubbele spleet gaan, hier, de meting wordt vele malen herhaald totdat de kansverdeling van de enkele molecuul-echo's duidelijk zichtbaar is in ruimte en tijd."

Door impulsief trillingsgolven in het molecuul op te wekken, de onderzoekers konden hun oscillaties en dispersie in de loop van de tijd observeren. Hierdoor konden ze twee sleutelmechanismen identificeren achter de vorming van echo's in de moleculen, namelijk:een sterk geïnduceerd moleculair potentiaalschudden en het creëren van een door uitputting geïnduceerd 'gat' in de verdeling van de nucleaire ruimte.

De waarneming van een echo van een enkel molecuul is een ongebruikelijk resultaat. De meeste eerdere onderzoeken waren gericht op echo's die voorkomen in een inhomogene verdeling van moleculen, waarbij de echo meestal werd gebruikt om de individuele variaties tussen verschillende moleculen te elimineren. Het team achter de huidige studie, anderzijds, was in staat om inherent interne eigenschappen van een enkel molecuul te onderzoeken, het verzamelen van interessante nieuwe resultaten.

"Onze experimenten op het enkele molecuul voegen zich bij een klein aantal gerelateerde experimenten, zoals interferentie van een enkel elektron of een enkel atoom of een enkel foton (bijv. in een Young-experiment met twee spleten) en als zodanig, ze bieden extra perspectief op het fundamentele element van de dualiteit van golven en deeltjes in de kwantummechanica, "Professor Yehiam Prior, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org.

Tot dusver, de wetenschappers van het Weizmann Institute of Science en ECNU hebben hun experimenten uitgevoerd op kleine individuele moleculen. In de toekomst, echter, hun procedure zou kunnen in principe, worden gebruikt om echo's te onderzoeken in grotere objecten met veel interne vrijheidsgraden, waardoor de studie van deze interne vrijheidsgraden in geïsoleerde moleculen mogelijk wordt. In aanvulling, hun bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van efficiëntere hulpmiddelen voor het onderzoeken van specifieke processen in verschillende moleculen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk