A mecânica quântica há muito desafia a ideia familiar de que um objeto deve ocupar uma localização precisa em um determinado momento. Em vez disso, partículas fundamentais como os elétrons são descritas por uma “função de onda”, uma representação matemática que os pesquisadores podem usar para calcular probabilidades de propriedades como posição e momento.
Dentro das moléculas, as funções de onda dos elétrons são conhecidas como “orbitais moleculares”. Esses orbitais contêm informações valiosas sobre como uma molécula se comporta e interage com seu ambiente, incluindo como ela absorve luz e como as reações químicas podem ocorrer. Portanto, obter uma imagem tridimensional completa da função de onda daria aos cientistas uma visualização poderosa do comportamento molecular, mas criar tal imagem é extremamente difícil.
Agora, uma equipe interdisciplinar da Universidade de Göttingen conseguiu obter imagens da função de onda tridimensional de uma molécula orgânica com apenas nanômetros de tamanho. Os pesquisadores conseguiram isso combinando espectroscopia de fotoelétrons avançada com algoritmos matemáticos sofisticados. Suas descobertas foram publicadas comunicação da natureza.
Reconstrução de uma indescritível função de onda quântica
“A função de onda é uma quantidade fundamental na mecânica quântica, mas não pode ser diretamente observada ou medida”, explica Stefan Mathias, professor da Universidade de Göttingen.
Como a função de onda não pode ser medida facilmente, os pesquisadores usaram uma técnica indireta chamada espectroscopia de fotoelétrons. Este método mede a velocidade dos elétrons emitidos pela molécula, dando aos cientistas acesso a metade da função de onda sem alterar fisicamente sua posição.
Algoritmos avançados de computador foram então usados para reconstruir a metade que faltava. Isso permitiu à equipe produzir uma imagem de todo o orbital molecular e isolar características menores do que a distância que separa os átomos de carbono dentro da molécula.
Até agora, estender esta abordagem a três dimensões exigiu medições mais longas nas principais instalações de investigação síncrotron. Esse requisito tornou a técnica difícil de usar amplamente e representou um obstáculo especialmente grande aos esforços para criar imagens de funções de onda “dinâmicas” como vídeo tridimensional em escala atômica.
Rumo a filmes 3D ultrarrápidos de moléculas
Matthijs Jensen, da Universidade de Göttingen e co-líder do estudo, destaca a originalidade da abordagem da equipe: “Introduzimos dois novos conceitos poderosos. Primeiro, ao redesenhar o algoritmo do computador desde o início, imagens 3D confiáveis agora podem ser obtidas usando muito poucos dados experimentais. Em segundo lugar, o experimento é baseado em uma poderosa fonte de luz de raios X suave baseada em laboratório que fornece pulsos de luz ultracurtos. Ele combina essas duas técnicas “É uma combinação de fatores que têm esse notável efeito.”
O algoritmo redesenhado reduz drasticamente a quantidade de dados experimentais necessários para gerar imagens tridimensionais confiáveis. Além disso, os pesquisadores podem fazer medições em laboratório usando uma poderosa fonte de raios X suaves que produz pulsos de luz extremamente curtos. Juntos, esses avanços poderiam tornar a imagem tridimensional da função de onda mais prática.
Wiebke Beneke, primeiro autor do estudo, diz: “Esta tecnologia pode significar que a videografia estroboscópica se torna uma realidade, permitindo-nos observar não apenas a forma das funções de onda, mas também como ela muda ultrarrápida, mesmo com uma resolução de um femtossegundo ou um quarto de segundo. Isso significaria que poderíamos aprender como uma molécula sofre mudanças ópticas, eletrônicas ou químicas. “e podemos encontrar novas maneiras de controlar essas interações no nível de alguns átomos.”
Se a técnica puder ser ampliada dessa forma, os pesquisadores poderão ir além das imagens estáticas e observar a evolução das funções das ondas moleculares ao longo do tempo. Tais observações poderiam revelar como as moléculas respondem à luz, aos efeitos eletrônicos e às mudanças químicas na escala de tempo do femtossegundo, potencialmente dando aos cientistas novas maneiras de compreender e controlar as interações envolvendo apenas alguns átomos.
