Чтобы визуализировать такое сверхбыстрое вращение молекул, команда разработала установку для визуализации кулоновского взрыва с регулируемым направлением вращения с помощью пары лазерных импульсов с задержкой по времени и с перекосом поляризации. В последовательных «снимках» команда успешно сообщила о прямом отображении с высоким разрешением пакетов вращательных волн (RWP) в молекулах азота с высоким разрешением и успешно наблюдала квантово-волновую природу. В результате будут проводиться более сложные молекулярные манипуляции, такие как сверхбыстрый молекулярный «секундомер».
Этот результат опубликован в Science Advances.Вращательные волновые пакеты (РВП) представляют собой изменяющиеся во времени состояния движения вращающихся микроскопических объектов, таких как молекулы, и они меняют форму в сверхбыстрой шкале времени, обычно некоторые части в триллион секунд. Что еще более важно, поскольку RWP регулируются фундаментальными физическими законами микроскопии, квантовой механикой, они имеют волновую природу, сильно отличающуюся от того, что демонстрируют макроскопические объекты.
Итак, RWP — одна из идеальных площадок для изучения связи между квантовым и классическим мирами.В настоящем исследовании RWP были созданы с помощью пары сверхбыстрых лазерных импульсов, взаимная задержка и поляризация которых были должным образом отрегулированы. Кроме того, с помощью специально разработанной установки ионной визуализации команда получила изображения однонаправленных RWP под углом обзора, который не могли принять предыдущие исследования 2D-визуализации. В результате команде удалось записать серию изображений изменяющегося во времени молекулярного углового распределения с высоким пространственным разрешением, которые представляют собой не что иное, как «фильм» о RWP с определенным углом вращения.
В фильме четко показана волнообразная природа РВП. Множественные бегущие волны собираются вместе в какой-то момент, чтобы обеспечить высококонцентрированную пространственную ориентацию и через некоторое время разделяются на части, имеющие разные угловые скорости, в то время как общее движение продолжает вращаться в одном направлении. Это распространение волновых пакетов вполне можно ожидать как педантичный пример простой квантовой системы, такой как вращающиеся молекулы в свободном пространстве, для которых взаимное взаимодействие по существу не работает.
Тем не менее, это до сих пор не было визуализировано экспериментально.Было много предложений по новому применению однонаправленных RWP. Например, ожидается, что однонаправленно вращающиеся ансамбли молекулярного газа будут производить сложное поляризационное формирование сверхбыстрых световых импульсов.
Вдобавок ожидается, что однонаправленные RWP, демонстрирующие движение, подобное зубчатому колесу, будут использоваться в качестве «секундомера» для измерения точной разницы во времени между импульсами от двух независимых сверхбыстрых лазерных систем.С другой стороны, с чисто фундаментальной точки зрения экспериментаторам очень сложно исследовать, как волновая природа RWP приближается к подобному частице поведению макроскопического объекта.
Также большой интерес представляет экспериментальное прослеживание потери волнообразного характера при взаимном или внешнем взаимодействии. Профессор Осима сказал: «Мы надеемся, что наши изображения RWP с высоким разрешением будут применимы при создании фильмов о таких переходах от квантового мира к классическому».