Международной группе исследователей удалось впервые наблюдать орбитальную структуру возбужденного атома водорода.
Таких результатов удалось достичь благодаря использованию новой разработки – «квантового микроскопа», в котором для непосредственной визуализации интересующей структуры используется микроскопия фотоионизации. Исследователи доказали, что микроскопия («photoionization microscopy»), теоретическая возможность применения которой была впервые высказана три десятилетия назад, не только может быть реализована на экспериментальном уровне, но и стать инструментом для изучения некоторых тонкостей квантовой механики.
Понятие волновой функции является центральным принципом квантово-механической теории – если упрощать, то волновая функция содержит в себе максимальную информацию, которая доступна о состоянии квантовой системы. Определить значение волновой функции можно решив уравнение Шредингера, а квадрат волновой функции представляет собой плотность вероятности нахождения частицы в определенной точке пространства. Несмотря на ключевое положение, которое волновая плотность играет в квантовой механике, непосредственное определение или наблюдение волновой функции представляет собой сложную задачу из-за того, что в результате воздействия на квантовую систему при проведении наблюдательного эксперимента существует возможность изменения состояния квантовой системы.
Свидетельство резонансной ионизации с помощью туннелирования за счет кулоновского потенциала поля. Проводится сравнение для измерений, проведенных для одного резонансного и двух нерезонансных состояний. Изображения (A) и (C) были сделаны после ионизации, не приводящей к резонансу, в то время как для центрального изображения (B) лазер был настроен в резонанс с двумя узловыми точками волновой функции. (Рисунок из Phys. Rev. Lett. 110, 213001 (2013))
Ранее для наблюдения волновой функции за счет воздействия ультрабыстрыми лазерными импульсами использовались эксперименты с волновым пактом Ридберга. В этих экспериментах атомы находятся в суперпозиции со своими возбужденными состояниями. Эти эксперименты наглядно продемонстрировали, что характер электронных орбиталей описывается когерентными состояниями квантово-механических стационарных состояний. Волновая функция каждого такого состояния представляет собой стоячую волну с узловым распределением (узлом орбитали называется область пространства, где вероятность нахождения электрона обращается в ноль), соответствующим орбитальному квантовому числу. Несмотря на то, что в ранее проведенных экспериментах делались попытки зарегистрировать неуловимую волновую функцию, использованные методы не позволяли это осуществить. Сложнее всего обстояло с непосредственным наблюдением узловой структуры для отдельного атома.
В новой работе Анета Стодольна (Aneta Stodolna) и Марк Враккинг (Marc Vrakking) продемонстрировали, что фотоионизационная микроскопия может использоваться для непосредственной регистрации узловой структуры орбитали электрона в атоме водорода, находящемся в статическом электрическом поле. В ходе эксперимента атом водорода помещали в электрическое поле и возбуждали его с помощью лазерных импульсов. В результате ионизации электрон отрывается от атома и по определенной траектории направляется в двойной микроканальный пластинчатый [dual microchannel plate (MCP)] детектор, расположенный перпендикулярно силовым линям поля. Исходя из того, что электроны могут достичь одной точки детектора по разным траекториям, существует возможность наблюдения интерференционной картины, которую исследователи увеличивали в десятки тысяч раз с помощью электростатической линзы. При этом картина интерференции непосредственно отражает узловую структуру волновой функции.
Атом водорода был выбран благодаря его уникальным свойствам – в атоме водорода имеется лишь один электрон, который взаимодействует с ядром за счет чистого кулоновского взаимодействия, что обеспечивает образование относительно легко определяемой структуры электронного распределения при нахождении атома в постоянном электрическом поле. Как поясняет Враккинг, благодаря наличию лишь одного электрона изменение волновой функции водорода можно описать как функцию двух координат – в так называемых параболических координатах. Поэтому Гамильтониан атома водорода, находящегося под воздействием внешнего электрического поля, описывает расщепление энергетических уровней водорода в рамках «эффекта Старка». Что более важно, этот «Гамильтониан Старка» может быть точно расписан в рамках двух параболических координат, которые являются линейной комбинацией расстояния электрона от ядра и смещения электрона вдоль оси z электрического поля. При этом форма двух параболических волновых функций не зависит от напряженности поля и не меняется с его затуханием.
Последнее обстоятельство является критически важным для масштабирования распределения узлов орбиталей до миллиметровых размеров, результат такого масштабирования можно наблюдать невооруженным глазом в 2D-детекторе и зафиксировать с помощью соответствующей камеры. Для получения результатов исследователи наблюдали сотни тысяч событий ионизации и визуализировали изображение атома водорода.