Eerste afbeelding van de orbitale structuur van waterstof genomen in het laboratorium

De afbeelding hierboven is een mooie breuk met een wetenschappelijk paradigma. Het is een record afgeleid van de directe waarneming van een waterstofatoom. Om de prestatie te volbrengen, gebruikten de bij het project betrokken onderzoekers een nieuw apparaat dat gemakshalve de kwantummicroscoop wordt genoemd - dat, zoals de naam al aangeeft, een kortstondige glimp van het fuzzy quantum koninkrijk mogelijk maakt.

Om de 'wetenschap' van de nieuwigheid een beetje te vertalen, betekent 'orbitale structuur' de ruimte die wordt ingenomen door de kern van het atoom en zijn elektronen - of 'elektron', specifiek rekening houdend met waterstof. Wat de wetenschappelijke prestatie van het beeld dat deze tekst opent mogelijk maakte, beantwoordt ook voor wetenschappelijk jargon: het is de "golffunctie".

Het is een wiskundige functie die wordt gebruikt om de geweldige kwantumchaos te begrijpen. De aldus verkregen waarden hebben betrekking op het gedrag van subatomaire deeltjes in tijd en ruimte. Bij een typische gelegenheid is het het apparaat dat wetenschappers gebruiken - zoals de Schrödinger-vergelijking - om subatomaire toestanden te beschrijven, die talloze complexe resultaten en duistere grafieken opleveren.

Het eerste directe record

De grote prestatie van het beeld dat deze tekst opent, was echter de mogelijkheid om de golffunctie daadwerkelijk te observeren - althans veel getallen en theorieën voorbij. Hoewel het bepalen van de exacte positie van een elektron vergelijkbaar is met proberen met één hand een wolk muggen te vangen - een soort kwantuminconsistentie, is het mogelijk om een ​​volledige kwantumtoestand te begrijpen op basis van statistische inferenties.

Dit vereist echter een hulpmiddel dat in de loop van de tijd verschillende metingen van golfpatronen kan uitvoeren. De uitdaging bleef echter: hoe verhoog je de opgenomen beelden op basis van de kwantumtoestanden van subatomaire deeltjes? Volgens wetenschappers komt daar de kwantummicroscoop binnen.

Geprojecteerde elektronen

De uitvinding maakt gebruik van microscopische foto-ionisatie om atomaire structuren direct zichtbaar te maken. In een post in de Physical Review Letters beschrijft Aneta Stodolna van het FOM-Instituut voor Atoom- en Moleculaire Fysica hoe zij en haar team in staat waren om de knoopstructuur van een waterstofatoom te begrijpen - gestationeerd in een statisch elektrisch veld.

Het proces omvatte het lanceren van laserpulsen over atomen, waardoor de vervolgens geïoniseerde elektronen ontsnapten en bepaalde banen volgden naar een tweedimensionale detector. Natuurlijk zijn er talloze paden die elektronen kunnen nemen voordat ze hetzelfde detectorpunt bereiken. Volgens Stodolna produceerde dit interferentiepatronen die de knoopstructuur van golffuncties weerspiegelden.

Ten slotte gebruikten de onderzoekers om het record te voltooien een elektrostatische lens die de uit elektronen verkregen projecties met 20.000 keer kon vergroten. Voor de toekomst willen de onderzoekers dezelfde technologie gebruiken om de reacties van atomen in magnetische velden te verifiëren.