Для профессора физики Канзасского государственного университета Уве Тумма подтверждение теории о поведении малых молекул стало музыкой для его ушей - буквально. Он и его коллеги из Гейдельберга, Германия, показали, как молекула водорода реагирует на лазерные импульсы, используя меняющийся музыкальный аккорд, создаваемый колебательным движением молекулы.
Тумм является членом Лаборатории Дж. Р. Макдональда штата K-State, где он входит в число нескольких исследователей, которые работают над свойствами и поведением атомов и малых молекул.
На протяжении десятилетий исследователи использовали лабораторию Макдональда, чтобы заставить атомы и молекулы сталкиваться с частицами. Тамм сказал, что многое из того, что ученые знают об атомах и молекулах, основано на таких экспериментах по столкновению. Чтобы предсказать и объяснить, что происходит при этих столкновениях, большая группа физиков-экспериментаторов тесно сотрудничает с Туммом и двумя другими теоретиками. Теоретики используют компьютеры, создают модели и обрабатывают числа в надежде получить результаты, совместимые с тем, что показывают эксперименты.
Благодаря улучшениям в лазерной технологии примерно в 1999 году исследователи из лаборатории Макдональда поняли, что они могут использовать большой опыт в области атомных столкновений для подробного изучения того, что происходит, когда атомы и молекулы облучаются очень интенсивным лазерным светом. По словам Тамма, новые лазерные системы в лаборатории имеют некоторые преимущества перед большими ускорителями частиц. Лазерные импульсы обеспечивают больший контроль и могут быть настолько короткими, что теперь исследователи регулярно наблюдают за движением ядер внутри малых молекул во времени. Кроме того, пиковая интенсивность лазерных импульсов огромна и равна всему солнечному свету, сфокусированному на маленьком пятне размером с почтовую марку или меньше.
Воодушевленные этими возможностями, Тамму и его коллегам стало любопытно выяснить, что произойдет, если самую маленькую и простейшую молекулу водорода подвергнуть воздействию таких сверхкоротких и интенсивных лазерных импульсов. Вместе со своим постдокторским сотрудником Бернольдом Фейерстайном Тумм разработал модель и провел расчеты, чтобы определить, как лазерные импульсы влияют на движение двух протонов в молекуле водорода.
«Короткий ответ заключается в том, что лазерный импульс либо заставляет молекулы вибрировать сильнее, либо разрывает их на части», - сказал Тумм. Он сказал, что это неудивительно, потому что в молекуле водорода два протона связаны двумя электронами, которые функционируют как пружина. При попадании лазерных импульсов протоны колеблются взад-вперед.
Хотя эту модель легко представить в большом масштабе, Тумм сказал, что частицы ведут себя по-разному на квантовом уровне. Это означает, что определить местонахождение этих колеблющихся протонов непросто. Тамм описал движение протонов после удара лазером подобно тому, что происходит, если вы бросите шарик в ванну. Глядя на круглую рябь воды в центре ванны, довольно легко сказать, куда упал шарик. Но когда эта рябь отскакивает от стенок ванны, рисунок волны меняет форму, и становится труднее сказать, куда упал мрамор. Волна становится делокализованной. Тамм сказал, что то же самое происходит с протонами не за секунды, а за фемтосекунды - это миллиардная миллионная секунды. Примерно через 60 фемтосекунд невозможно сказать, где находятся протоны.
«Вы быстро теряете представление о том, каково расстояние между двумя протонами, - сказал Тумм. - Все, что вы можете сказать, это то, что они имеют определенную вероятность находиться на определенном расстоянии. Эксперимент: через несколько секунд после того, как шарик упал, вы не можете сказать, куда именно он погрузился."
Но на квантовом уровне все работает по-другому, и исследователи были удивлены тем, что примерно через 600 фемтосекунд после попадания лазера расстояние между протонами снова становится четко определенным. «Мы называем это возрождением первоначального движения протонов», - сказал Тумм. «Это не произойдет в ванной, но это произойдет на квантовом уровне».
Тумм и Фейерштейн опубликовали свое теоретическое предсказание в 2003 году. Тумм сказал, что они были приятно удивлены, когда эксперименты в Институте Макса Планка в Гейдельберге, Германия, в 2006 году подтвердили возрождение, описанное в их модели. «Совпадение между новыми экспериментами и нашей моделью было почти идеальным и превзошло наши ожидания», - сказал Тамм.
Фейерштейн с тех пор переехал в Гейдельберг, где он и его группа исследователей продолжали сотрудничать с группой Тумма в K-State. Воодушевленные успехом своей модели, они начали анализировать колебательное движение молекулы, разбивая его на различные частоты. Каждая частота, как нота в аккорде, сообщала исследователям, как ведут себя протоны. Однако частота этих молекулярных колебаний намного выше слышимого диапазона. Два исследователя разделяют интерес к музыке и ранее сотрудничали в музыкальном плане. Поэтому, когда пришло время проиллюстрировать возрождение, они решили, что лучший способ сделать это - уменьшить частоту до 1000 герц, что находится в диапазоне, в котором человеческое ухо слышит лучше всего. «Таким образом, вы можете слушать вибрации и слышать пробуждение. Точно так же, как звук анализируется и разлагается, мы разложили вибрации по частотам», - сказал Тумм. Их результат, меняющийся музыкальный аккорд в сочетании с фильмом, иллюстрирующим колебания протонов, можно услышать и посмотреть на
Тумм сказал, что исследователи надеются сделать то же самое для более сложных молекул, таких как вода или метан. Так же, как аккорд до-мажор звучит иначе, чем аккорд ре-минор, Тумм сказал, что другие молекулы также будут иметь свое собственное уникальное звучание. Последняя работа Тумма и Фейерштейна была впервые опубликована прошлой осенью в журнале Physical Review Letters. Их исследования поддержали Национальный научный фонд, Министерство энергетики США и Общество Макса Планка. Тамм сказал, что такое фундаментальное исследование поддерживает долгосрочную цель применения лазеров для управления химическими реакциями. По его словам, надежда состоит в том, чтобы значительно повысить эффективность химических реакций за счет улучшения желаемых путей реакции с помощью лазеров.