Физики впервые измерили квадрат волновой функции электронов в молекуле водорода

Физики разработали первый метод прямого экспериментального определения квадрата волновой функции для электронной системы в молекуле водорода. Предложенный подход совмещает в себе фотоионизацию с одновременной регистрацией всех продуктов распада, пишут физики в статье в Nature Communication.

Для описания энергетического состояния квантовых систем, в частности химических молекул, обычно используют волновую функцию, которую можно записать как для отдельных квантовых частиц, так и для системы из нескольких частиц. Сама волновая функция не имеет конкретного физического смысла, но физическая интерпретация есть у квадрата ее абсолютного значения (он соответствует плотности вероятности нахождения квантовой системы в данном энергетическом состоянии), поэтому его значение можно получить экспериментально.

Теоретически найти волновые функции для электронов в многоатомных молекулах можно лишь с использованием численных методов или на квантовых компьютерах, однако даже с помощью них пока удается рассчитать лишь простейшие молекулы, состоящие из атомов первого и начала второго периодов. Сложность же экспериментального определения квадрата волновой функции для многоатомных молекул (даже в простейшем случае молекулы водорода) заключается в необходимости учитывать корреляции между волновыми функциями всех квантовых частиц, входящих в систему, и до сих пор никаких надежных методов для этого предложено не было.

Группа физиков из Германии, Испании, США, России и Австралии под руководством Райнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) из Франкфуртского университета предложила для измерения двухэлектронной волновой функции в молекуле водорода совместить две хорошо отработанные методики: фотоионизацию — выбивание электрона из молекулы водорода высокоэнергетическим пучком света — и одновременное детектирование образовавшихся продуктов распада.

Реакцию фотоионизации молекул водорода ученые проводили на синхротроне PETRA III исследовательского центра DESY в Германии с помощью пучка фотонов с круговой поляризацией с энергией 400 электронвольт. С помощью детектора фотоионизации ученые определяли распределение импульса электрона, оторвавшегося от молекулы водорода в результате реакции γ + H₂ → e^- + H₂⁺. Одновременно с этим физики находили волновую функцию и второго электрона молекулы с помощью определения кинетической энергии продуктов вторичного разложения иона H₂⁺ на протон и атом водорода.

Исходя из полученных данных об импульсе обоих электронов, ученые определили корреляционные функции электронов и восстановили распределение импульса электронов в начальной молекуле водорода, из которой затем определяли и квадрат волновой функции двухэлектронной системы. С помощью предложенного метода ученые также нашли зависимость вида квадрата волновой функции от расстояния между ядрами в молекуле водорода, которое варьировалось от 0,64 до 0,85 ангстрем.

По словам ученых, существуют и другие способы определения корреляционных функций для волновых функций электронов в молекуле водорода, тем не менее все эти способы непрямые и требуют для использования некоторых теоретических допущений. Предложенный же в данной работе подход стал первым методом для непосредственного измерения двухэлектронной волновой функции из спектрометрических данных. При этом авторы отмечают, что экспериментальные данные позволяют померить только квадрат волновой функции, но никак не саму волновую функцию, что невозможно теоретически.

Кроме того, что ученые смогли построить вид волновой функции для электронов в двухатомной модели, они показали перспективность использования фотоэлектронов высокой энергии для экспериментального получения квадрата волновой функции других молекул. Поэтому следующим шагом будет применение для исследования более сложных молекул, чем молекула водорода.

«В перспективе с помощью предложенного подхода можно изучать динамику внутримолекулярных процессов, — сказал N + 1 один из соавторов работы доцент кафедры теоретической физики Саратовского государственного университета Владислав Серов. — Молекулу можно облучать не одним фотоном рентгеновского излучения, а сразу двумя: сначала низкоэнергетическим фотоном, который инициирует какой-то процесс в молекуле (например, распад или изменение конфигурации), а потом — высокоэнергетическим фотоном для ионизации. Меняя промежуток времени между двумя фотонами, можно увидеть, как меняется структура молекулы и распределение электронов в ее оболочках, например в процессе химической реакции».

Недавно физики предложили способ экспериментального измерения симметрии волновой функции в системе из двух элементарных частиц при их перестановке. Для этого ученые также использовали спектрометрический метод, по которым восстанавливалась корреляция между волновыми функциями двух частиц, но основанный на исследовании интерференции.

Александр Дубов