Ekon, ljud som upprepas eller ger eko som ett resultat av vågor som reflekteras tillbaka till lyssnaren, förekommer i flera fysiska system. I fysikforskning, ekon används vanligtvis för att eliminera effekterna av avfasning orsakad av ett systems interaktioner med miljön, samt att avslöja vissa föremåls inneboende egenskaper.

Forskare vid Weizmann Institute of Science och East China Normal University (ECNU) har experimentellt observerat kvantvågspaketekon i en enda, isolerad molekyl. Deras fynd, nyligen publicerad i Naturfysik , kunde introducera nya verktyg för att sondera ultrasnabba intramolekylära processer i molekyler.

"Detta arbete framkom som ett resultat av en diskussion vi hade med våra kinesiska kollegor 2017, under FRISNO, en workshop om olinjär optik organiserad av Weizmann -institutet i en naturskön kibbutz Ein Gedi, precis vid sidan av Döda havet, "Professor Ilya Averbukh, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Tidigare, vi hade ett pågående framgångsrikt samarbete med Shanghai -gruppen, samt med ett franskt team från University of Burgundy, Dijon, med fokus på ekon i molekylär rotation."

Den teoretiska analys som ursprungligen utfördes av Averbukh och hans kollegor föreslog att rotationsekon som observerats i molekylära gaser borde ha sina motsvarigheter i molekylär vibrationsdynamik, en förutsägelse som senare bekräftades av deras experiment. När de väl började genomföra experiment, dock, forskarna insåg att mätsystemet som används vid ECNU också tillåter observation av den så kallade "ekoeffekten" i extremt förtärda gaser, och potentiellt även i en enda molekyl.

Apparaten som används av forskarna vid den kinesiska institutionen är, faktiskt, kan detektera signaler från enskilda molekyler, en i taget. När de insåg detta, teamet satte sig för att undersöka kvantvågspaketekon i en enskild molekyl. Molekylerna som användes i deras experiment var vibrationskalla, därför startade interaktionen mellan alla molekyler och laserfälten från samma initiala tillstånd och styrs av kvantmekanikens regler.

"Vanligtvis, ekon visas i ensembler som innehåller många snurr, atomer eller molekyler vars egenskaper är något dispergerade, " sa Averbukh. "I fallet med enstaka molekyler, den nödvändiga "osäkerheten" introduceras av kvantmekanikens magi. Medan alla molekyler börjar från samma initiala tillstånd och de exciteras av exakt samma laserfält, deras tillstånd efter excitationen är inte helt känt och molekylerna existerar i en "superposition" av flera kvantvibrationstillstånd."

Effekterna som undersökts av Averbukh och hans kollegor liknar de som introducerades i ett berömt tankeexperiment av Richard Feynman, som vann Nobelpriset i fysik 1965. I detta "gedanken-experiment", Feynman övervägde att skicka elektroner en efter en genom två tätt placerade slitsar, och samlar signal från en skärm bakom dessa slitsar. Om inga ytterligare mätningar införs, kvantmekanikens lagar hindrar forskare från att veta genom vilken spalt varje enskild elektron passerade. Som ett resultat, medan enskilda elektroner är slumpmässigt utspridda runt skärmen, när experimentet upprepas många gånger bildar de enskilda klicken på skärmen ett interferensmönster som orsakas av denna "kvantosäkerhet".

"I vårat fall, kvantinterferens sker inuti varje enskild molekyl och den manifesterar sig i tidsdomänen snarare än i det vanliga rummet, ", förklarade Averbukh. "I någon mening, vårt arbete presenterar en intramolekylär tidsupplöst version av Feynmans tankeexperiment."

I de experiment som utförts av Averbukh och hans kollegor, den spatiotemporala dynamiken hos kvantvågpaketekon i en isolerad enskild molekyl visualiserades med femtosekund och ångströmsupplösningar. Att göra detta, forskarna använde en slumpdetekterande teknik som tagits fram av teamet vid ECNU i en ultrahög vakuumkammare.

"Molekylerna interagerar med laserpulserna en i taget och mäts individuellt, "Professor Jian Wu, som ledde laget som utförde experimenten på ECNU, berättade för Phys.org. "Liknande med interferensexperimenten med en partikel, t.ex., enkla elektroner eller enkla fotoner som passerar genom en dubbel slits, här, Mätningen upprepas många gånger tills sannolikhetsfördelningen för de enstaka molekylekonen tydligt visualiseras i rum och tid."

Genom impulsivt spännande vibrationsvågor i molekylen, forskarna kunde observera deras svängningar och spridning över tiden. Detta gjorde det möjligt för dem att identifiera två nyckelmekanismer bakom bildandet av ekon i molekylerna - nämligen, en starkt inducerad molekylär potentialskakning och skapandet av ett utarmningsinducerat "hål" i kärnkraftsfördelningen.

Observationen av ett eko från en enda molekyl är ett ovanligt resultat. De flesta tidigare studier fokuserade på ekon som förekommer i en inhomogen fördelning av molekyler, där ekot vanligtvis användes för att eliminera de individuella variationerna mellan olika molekyler. Teamet bakom den aktuella studien, å andra sidan, kunde i sig undersöka interna egenskaper hos en enda molekyl, samla in intressanta nya resultat.

"Våra experiment på den enda molekylen ansluter sig till ett litet antal relaterade experiment, såsom störning av en enda elektron eller en enda atom eller en enda foton (t.ex. i ett tvådelat Young-experiment) och som sådan, de ger ytterligare perspektiv på det grundläggande elementet i våg-partikeldualitet i kvantmekaniken, " Professor Yehiam Prior, en annan forskare som utförde studien, berättade för Phys.org.

Än så länge, forskarna vid Weizmann Institute of Science och ECNU har utfört sina experiment på små enskilda molekyler. I framtiden, dock, deras förfarande kan, i princip, användas för att undersöka ekon i större föremål med många interna frihetsgrader, möjliggör studiet av dessa interna frihetsgrader i isolerade molekyler. Dessutom, deras fynd kan bana väg för utveckling av effektivare verktyg för att sondera specifika processer i olika molekyler.

© 2020 Science X Network