För första gången, fysiker har utvecklat en metod för att visuellt avbilda intrasslingen mellan elektroner. Eftersom dessa korrelationer spelar en framträdande roll för att bestämma en molekyls vågfunktion - som beskriver molekylens kvanttillstånd - använde forskarna sedan den nya metoden för att producera de första bilderna av kvadraten på tvåelektronvågfunktionen hos ett väte (H) ₂ ) molekyl.

Även om det redan finns många tekniker för att avbilda de individuella elektronerna i atomer och molekyler, detta är den första metoden som direkt kan avbilda korrelationerna mellan elektroner och låta forskare utforska hur elektronernas egenskaper beror på varandra.

Forskarna, M. Waitz et al., från olika institut i Tyskland, Spanien, USA, Ryssland, och Australien, har publicerat en artikel om den nya avbildningsmetoden i ett färskt nummer av Naturkommunikation .

"Det finns andra metoder som gör att man kan rekonstruera korrelationer från olika observationer, men, såvitt jag vet, detta är första gången som man får en direkt bild av korrelationer genom att bara titta på ett spektrum, " berättade medförfattaren Fernando Martín vid Universidad Autónoma de Madrid Phys.org . "De registrerade spektra är identiska med Fourier-transformerna för de olika delarna av kvadraten av vågfunktionen (eller motsvarande, till representationen av de olika delarna av vågfunktionen i momentumrymden). Ingen rekonstruktion eller filtrering eller transformation behövs:spektrumet reflekterar direkt delar av vågfunktionen i momentumrymden."

Den nya metoden går ut på att kombinera två avbildningsmetoder som redan är flitigt använda:fotoelektronavbildning och sammanfallande detektering av reaktionsfragment. Forskarna använde båda metoderna samtidigt genom att använda den första metoden på en elektron för att projicera den elektronen på en detektor, och att använda den andra metoden på den andra elektronen för att bestämma hur dess egenskaper förändras som svar.

Den samtidiga användningen av båda metoderna avslöjar hur de två elektronerna är korrelerade och ger en bild av kvadraten på H ₂ korrelerad två-elektronvågfunktion. Fysikerna betonar en viktig punkt:att dessa är bilder av kvadraten på vågfunktionen, och inte själva vågfunktionen.

"Vågfunktionen är inte en observerbar inom kvantfysik, så det går inte att observera, " Martín sa. "Endast kvadraten på vågfunktionen är en observerbar (om du har verktygen för att göra det). Detta är en av kvantfysikens grundläggande principer. De som hävdar att de kan observera vågfunktionen använder inte rätt språk eftersom detta inte är möjligt:​​vad de gör är att rekonstruera det från några uppmätta spektra genom att göra några approximationer. Det kan aldrig bli en direkt observation."

Forskarna förväntar sig att det nya tillvägagångssättet också kan användas för att avbilda molekyler med mer än två elektroner, genom att detektera reaktionsfragmenten av flera elektroner. Metoden skulle också kunna leda till förmågan att avbilda korrelationer mellan vågfunktionerna hos flera molekyler.

"Självklart, det naturliga steget att följa är att prova en liknande metod i mer komplicerade molekyler, " sa Martín. "Antagligen, metoden kommer att fungera för små molekyler, men det är inte klart om det kommer att fungera i mycket komplexa molekyler. Inte på grund av begränsningar i grundidén, men främst på grund av experimentella begränsningar, eftersom tillfällighetsexperiment i komplexa molekyler är mycket svårare att analysera på grund av de många nukleära frihetsgraderna."

Förmågan att visualisera elektron-elektronkorrelationer och motsvarande molekylära vågfunktioner har långtgående konsekvenser för förståelsen av materiens grundläggande egenskaper. Till exempel, en av de mest använda metoderna för att approximera en vågfunktion, kallad Hartree-Fock-metoden, tar inte hänsyn till elektron-elektronkorrelationer och, som ett resultat, håller ofta inte med om observationer.

Dessutom, elektron-elektronkorrelationer ligger i hjärtat av fascinerande kvanteffekter, såsom supraledning (när det elektriska motståndet sjunker till noll vid mycket kalla temperaturer) och jättemagnetoresistans (när det elektriska motståndet minskar kraftigt på grund av den parallella inriktningen av magnetiseringen av närliggande magnetiska lager). Elektronkorrelationer spelar också en roll i den samtidiga emissionen av två elektroner från en molekyl som har absorberat en enda foton, ett fenomen som kallas "en-foton dubbel jonisering".

Och slutligen, resultaten kan också leda till praktiska tillämpningar, såsom förmågan att realisera korrelationsavbildning med fältelektronlasrar och med laserbaserade röntgenkällor.

© 2018 Phys.org