Сегодня - 29.03.2017

Ученые нашли способ открыть пространственные ворота

16 февраля 2017
 
Международный коллектив с участием  исследователей из Сибирского федерального университета нашел метод обеспечить высокую точность контроля молекулярного движения.  
 
Возможности теоретической физики связаны с изменением представлений о природе вещей, и именно это таит в себе потенциал управления теми процессами, которые в течение долгого времени считались неподвластными контролю. В статье, опубликованной в британском журнале Nature Communications, в качестве средства проникновения в пространственную структуру квантовых состояний служит рентгеновское излучение, использующее открытый авторами эффект пространственных квантовых ворот. В экспериментах с молекулами воды, которые находились под воздействием излучения, ученые рассмотрели колебательные движения атомов в серии возбужденных состояний. Этот эксперимент стал отправной точкой для исследования и теоретических обобщений. Выбор молекулы H2O определяется ее огромным значением для физической химии, биологии и в целом жизни на Земле. Также эта частица — очень удобный объект для исследования принципа пространственной селективности, позволяющего разбить сложное колебательное движение на отдельные элементарные режимы. В ходе работы изучалось резонансное рассеяние рентгеновских лучей через различные короткоживущие высоковозбужденные состояния молекул воды в газовой фазе (время жизни меньше триллионной доли секунды). Разная пространственная локализация этих возбужденных состояний играет ключевую роль в пространственной фильтрации молекулярных колебаний. 
 
В перспективе этот результат несет массу прикладных эффектов в самых различных областях. Но фундаментальное исследование, прежде всего, значимо для изучения свойств материалов, в частности для управления различными химическими реакциями. Разработанный механизм фильтрации колебательных режимов с помощью резонансного рентгеновского рассеяния в дальнейшем может быть использован для более сложных систем с возможным применением в фотохимии и биофизике.  
 
Результаты работы стали возможны благодаря  современной экспериментальной технике, а именно — специального источника рентгеновского излучения (синхротрон) в Швейцарии. Эта машина, обладающая сверхвысоким разрешением, соответствует передовым требованиям науки, что и позволило наблюдать принцип разделения колебательных режимов. По признанию авторов статьи, «на сегодняшний день экспериментальная техника сделала невероятный шаг вперед в повышении разрешающей способности: эта точность равносильна тому, чтобы измерять вес груза 10 тонн с точностью до 1 грамма!» Сверхвысокое спектральное разрешение, современные данные резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, — всё это предоставляет уникальные возможности для фильтрации колебаний основного состояния молекул и таким образом детального изучения их свойств. 
 
Работа является результатом международного сотрудничества ученых из Германии, Швеции, России, Швейцарии и Бразилии. Исследования были инициированы результатами эксперимента, которые соавторы статьи, экспериментаторы из Германии, отправили красноярским ученым — доктору Виктору Кимбергу и профессору Фарису Гельмуханову, сотрудникам Лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии Сибирского федерального университета. Сибирские исследователи разработали теоретическую модель и провели компьютерное математическое моделирование на высоком уровне.
 
«Даже довольно простые молекулы, такие как вода, обладают различными типами колебательных движений атомов, называемых «колебательными модами», — говорит Виктор Кимберг. — Эти моды в сочетании друг с другом приводят к очень сложному «молекулярному танцу». Возможность управления этим движением, в частности выделение единственного типа движения, является ключом к пониманию и контролю молекулярных реакций». 
 
Фарис Гельмуханов комментирует: «Пространственные ворота — это эффект пространственного селектирования колебательных состояний, где фильтрация достигается в процессе рассеяния рентгеновского излучения через высоковозбужденные состояния с разной пространственной локализацией». 
 
Группа ученых уже приступила к работе над следующей задачей исследования: изучить такими же методами молекулы воды в ее «жидком» состоянии. Относительно «жидкой воды» не утихают дебаты ученых, тема активно обсуждается в современном научном сообществе, и востребованность ее разработки крайне высока. 
 
Майя Смолина, пресс-служба СФУ
 
Поделись с друзьями: 

Система Orphus