Τρισδιάστατες εικόνες τροχιακών

Πηγή: Scientific American, Ιούλιος 2005

Στον κβαντικό κόσμο, τα αντικείμενα περιγράφονται από κυματοσυναρτήσεις. Τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν ένα μόριο, επί παραδείγματι, υπάρχουν σε κυματοειδή τροχιακά, διαγράμματα που εκ πρώτης όψεως μοιάζουν κάπως με πολύχρωμους λεκέδες, και τα οποία καθορίζουν ιδιότητες όπως είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων και η τάση του μορίου να υφίσταται διάφορες χημικές αντιδράσεις. Τα τροχιακά, όμως, είναι πλάσματα γλιστερά σαν χέλια, τα οποία, λόγω της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, αποκρούουν κάθε συμβατική προσπάθεια που επιχειρείται για την πλήρη και ακριβή απεικόνιση τους.

Το τροχιακό ενός μορίου αζώτου όπως απεικονίστηκε (πάνω) συμφωνεί αρκετά καλά με το τροχιακό που προέκυψε από θεωρητικούς υπολογισμούς βάσει μοντέλων [κάτω). Κάθε εικόνα έχει διαστάσεις 60 επί 60 νανόμετρα. Η χρωματική διαβάθμιση παριστάνει το πλάτος της κβαντικής κυματοσυνάρτησης —δηλαδή, την πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου σε κάθε σημείο του χώρου.

Τώρα, ωστόσο, τα πράγματα αλλάζουν μια ομάδα ερευνητών στο Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας του Καναδά (CNRC), στην Οτάβα, επέτυχε να παραγάγει μία τρισδιάστατη απεικόνιση του εξώτατου τροχιακού γύρω από ένα μόριο αζώτου. Η «ταχύτητα κλείστρου» της απεικονιστικής μεθόδου είναι αρκούντως υψηλή ώστε να φαίνεται πιθανό πως κάποια μέρα θα μπορέσουμε να συλλάβουμε και να απεικονίσουμε μόρια εν μέσω χημικών αντιδράσεων.

Η εν λόγω ομάδα, της οποίας ηγούνται ο Paul Β. Corkum και ο David Μ. Villeneuve  χρησιμοποιεί έναν παλμό λέιζερ διαρκείας μόλις 30 φεμτοδευτερολέπτων (3.10^-14 δευτερολέπτων). Κατά τη διέλευση του παλμού λέιζερ, το ηλεκτρικό πεδίο του φωτεινού κύματος ταλαντώνεται αρκετές φορές. Η κάθε ταλάντωση απομακρύνει το εξώτατο ηλεκτρόνιο από το μόριο και κατόπιν το επαναφέρει στη θέση του.

Μολονότι ενδέχεται να δημιουργηθεί η εντύπωση ότι η ομάδα στηρίζεται στο λέιζερ για να «φωτίσει» το ηλεκτρόνιο, η πραγματικότητα είναι πως το ρόλο της απεικονιστικής δέσμης τον παίζει το ηλεκτρόνιο κατά την επάνοδο του στο μόριο. Ακριβέστερα, το πεδίο του λέιζερ απομακρύνει και επαναφέρει ένα μικρό κλάσμα της κυματοσυνάρτησης του ηλεκτρονίου. Φανταστείτε ότι το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Ως επί το πλείστον παραμένει στο αρχικό τροχιακό γύρω από το άζωτο, όμως εν μέρει έχει αποσπαστεί και απομακρυνθεί από αυτό.

Η απότομη επιτάχυνση μετατρέπει το οδεύον ηλεκτρονιακό κύμα σε επίπεδο κύμα, σαν έναν ωραίο κανονικό παλμό μιας δέσμης ηλεκτρονίων με εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος —ακριβώς το είδος δέσμης που ενδείκνυται για απεικονιστικούς σκοπούς. Όταν το επίπεδο κύμα επιστρέφει και διασχίζει το μόριο, παράγει μια εικόνα συμβολής με το ακίνητο μέρος της κυματοσυνάρτησης του ηλεκτρονίου — όπως δύο συρμοί υδάτινων κυμάτων οι οποίοι διασταυρώνονται και σχηματίζουν μία διαταραχή με περιοδική εναλλαγή περιοχών χαμηλών και υψηλών πλατών.

Για να ολοκληρωθεί η απεικόνιση, αυτή η εικόνα συμβολής πρέπει να ανιχνευθεί. Καθώς το επίπεδο κύμα συνεχίζει το ταξίδι του, η εικόνα ταλαντώνεται ταχέως, με αποτέλεσμα να εκπέμπει υπεριώδη ακτινοβολία την οποία ανιχνεύουν οι ερευνητές. Η πληροφορία για τη σκιά του τροχιακού όπως τη βλέπει το οδεύον ηλεκτρονιακό κύμα εντυπώνεται στην υπεριώδη εκπομπή. Η παραγωγή τρισδιάστατης εικόνας απαιτεί επανάληψη της διαδικασίας σε διαφορετικές γωνίες, όπως γίνεται στους υπολογιστικούς τομογράφους των νοσοκομείων. Οι γωνίες ορίζονται μέσω της ευθυγράμμισης όλων των μορίων αζώτου του δείγματος με έναν κάπως ασθενέστερο παλμό λίγα πικοδευτερόλεπτα (10^-12 δευτερόλεπτα) πριν από την άφιξη του απεικονιστικού παλμού.

Το αποτέλεσμα της απεικόνισης συμφωνεί αρκετά καλά με τη μορφή του τροχιακού που προκύπτει από θεωρητικούς υπολογισμούς. Ο Ferenc Krausz του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck κοντά στο Μόναχο λέει: «Όταν πρωτοείδα πειραματικώς ληφθείσες εικόνες μοριακών τροχιακών, κατενθουσιάστηκα. Η τεχνική έχει τεράστιες δυνατότητες».

Στα τέλη του 2003, η ομάδα του Krausz επέδειξε ένα άλλο είδος απεικόνισης χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός στην άκρα υπεριώδη περιοχή του φάσματος διαρκείας μόλις 250 αττοδευτερολέπτων (2,5.10^-16 δευτερολέπτων), τους βραχύτερους φωτεινούς παλμούς που παρήχθησαν ποτέ. Οι δύο μέθοδοι συμπληρώνουν η μία την άλλη — του Krausz εκμεταλλεύεται τη δυναμική των εσώτερων ηλεκτρονίων, ενώ των Corkum καί Villeneuve αποδίδει για τα εξώτερα ηλεκτρόνια.

Μεγάλο ενδιαφέρον αναμένεται να παρουσιάσει η εφαρμογή της τεχνικής σε πιο περίπλοκα μόρια και σε μόρια που υφίστανται κάποια χημική αντίδραση. Ο Villneuve λέει ότι σκέφτεται το τριφθορομεθυλοϊωδίδιο, το οποίο μπορεί να διασπαστεί από τους παλμούς του λέιζερ της ομάδας. «Τότε θα μπορούσαμε να παρακολουθήσουμε τη διάσταση», συμπληρώνει, «και να μετρήσουμε την κίνηση των ατόμων».