Физики восстановили потерянную квантовую информацию о динамике молекулы азота

Физики предложили статистический метод обработки данных о сверхбыстрой дифракции электронов на возбужденных молекулах, позволяющий восстановить информацию об элементах матрицы плотности в каждый момент времени. Метод был апробирован на симуляции и на дифрактограммах с реального эксперимента. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Тот факт, что квантовые частицы не могут иметь определенное значение координаты — это один из краеугольных камней квантовой картины мира. Вместо этого их пространственные свойства описываются с помощью комплексной волновой функции, чей абсолютный квадрат определяет плотность вероятности обнаружить частицу.

Квантовая механика не позволяет напрямую измерить волновую функцию, так как ей не соответствует никакого эрмитового оператора. Однако, если несколько раз готовить какой-либо объект в одинаковом состоянии и проводить над ним серии одинаковых измерений, то при определенных условиях можно восстановить реальную и мнимую части его волновой функции, либо, что то же самое, ее модуль и фазу. Мы уже писали про подобные измерения у экситонов в монослое диселенида вольфрама и у электронов в молекуле водорода.

В случае работы со сложными системами определять зачастую приходится состояние, которое представляет собой либо квантовую суперпозицию, либо классическую смесь нескольких состояний. Для решения этой задачи учеными были развиты методы квантовой томографии. С развитием сверхбыстрых техник электронной и рентгеновской дифрактометрии, квантовая томография вышла на уровень, позволяющей изучать временную эволюцию квантовых систем. Особый интерес представляет квантовое поведение возбужденных молекул, однако физики столкнулись с проблемой потери информации о поведении волновых пакетов ядерной плотности во всех измерениях, кроме времени.

Группа физиков из Германии, Канады, Китая, России и США под руководством Чжэн Ли (Zheng Li) из Пекинского университета смогла решить эту проблему, предложив метод восстановления всей информации о состоянии возбужденных молекул. В основе метода лежит измерение результатов дифракции электронов на возбужденных молекулах с временным разрешением. Дифрактограмма позволяет восстановить функцию Вигнера, которая связана с матрицей плотности зондируемого состояния. Знание всех матричных элементов дает полную информацию о нем, и для их восстановления физики накладывали ограничения на соответствующие плотности вероятностей в прямом и обратном пространстве. Условия для этих ограничений они брали из экспериментальных данных, а также из свойств симметрии и правил отбора. После нескольких итераций последовательных ограничений в обоих представлениях, элементы матрицы плотности сходятся к некоторому искомому виду.

Для начала авторы применили метод к численной симуляции сверхбыстрой дифракции на молекулах азота. Молекулы рассматривались возбужденными лазерным импульсом во вращательное состояние. Результаты восстановления приблизились к истинному значению в пределах удовлетворительных погрешностей через 50 циклов итерации.

Следующим шагом физики применили свой алгоритм к реальному эксперименту, проведенному ранее. В нем лазерный импульс с длиной волны 800 нанометров и длительностью 60 фемтосекунд ориентировал в пространстве облако молекул азота при температуре 45 кельвин. Спустя некоторое время молекулы зондировались с помощью импульса, содержащего около десяти тысяч электронов со средней кинетической энергией 90 килоэлектронвольт. Эксперимент повторялся для различных времен задержки между импульсами с шагом 100 фемтосекунд.

Схема эксперимента по квантовой томографии вращательного состояния молекул азота с помощью сверхбыстрой дифракции электронов

Лазерный импульс возбуждал молекулы в состояние, суперпозиционное по состояниям с определенными вращательными квантовыми числами; со временем оно испытывает дефазировку и релаксацию на пикосекундном масштабе. В результате исследователи смогли восстановить временные зависимости модуля и фазы всех элементов матрицы плотности. Они также оценили ошибку восстановления, которая определялась конечным временным и угловым разрешением экспериментальной установки.

Физики отмечают, что развитый ими метод может быть полезен не только для восстановления информации о вращательных состояниях молекул, но и об их колебательных и электронных состояниях. Это может быть важно, в частности, для исследования необычных эффектов в динамике релаксации фотовозбужденных молекул.

Изучение квантовой динамики молекул с фемтосекундным разрешением позволяет увидеть много интересного. Мы уже писал, как физики визуализировали волны, распространяющиеся по квантовому гало в димере гелия, и проследили за релаксационной динамикой внутри- и межмолекулярных связей молекул воды.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 15.09.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии