Физики достаточно давно научились получать изображения с атомарным разрешением при помощи пучка электронов, направляемого в цель. Но при этом отображение того, как электронная структура атома меняется с течением времени, всегда было задачей следующего, более сложного уровня. Последние теоретические исследования показывают, что эту задачу помогут решить электронные импульсы длительностью менее одной миллионной миллиардной секунды.

Благодаря численному моделированию, ученые доказали, что ультрабыстрые электроны могли бы визуализировать как возбужденные атомы, так и перемещение электронов между молекулами в процессе химических реакций.

Электронное облако вокруг ядра атома с точки зрения квантовой физики описывается волновой функцией, дающей в каждой точке пространства вероятность нахождения электрона в определенный момент времени. Обычно эта вероятность не изменяется со временем. Но когда квантовая система получает дополнительную энергию за счет света или в ходе химической реакции, волновая функция начинает изменяться. Скачок происходит не мгновенно, а за вполне ощутимый, хоть и крайне малый период времени. Расчеты показывают, что подобные видоизменения обычно происходят в течение 10^-18 секунды. Чтобы «захватить» это движение в «объектив» прибора, исследователи нуждаются в очень быстрой вспышке и обычные методы тут не подойдут.

Подобный измерительный прибор гораздо ближе к реальности, чем может показаться. Не так давно ученые смогли получить вспышку света такой длительности (порядка 10^-18 секунды), но длина волны этого излучения была в 1000 раз больше, чем необходимо для получения картинки с разрешением на субатомном уровне. Альтернативных решений для работы со светом пока не предложено. Но недавно было показано, что у электронов более «правильная» волновая природа, которая может быть использована для визуализации с нужным масштабом.

Столь короткий импульс электронов – это серьезная научная задача. Сложность при ее решении заключается в том, что электроны отражают друг друга. Однако несколько научных групп предложили свои пути для ее решения. Причем, предложенный вариант не обладает недостатками ультракороткой световой электромагнитный волны. Процессу все еще могут помешать неупругие столкновения электронов между собой, ведь невозможно измерить систему, которая изменяется под воздействием прибора наблюдателя. Таким образом, новой целью ученых стало полноценное трехмерное моделирование процесса взаимодействия ультракороткого электронного импульса с потенциальными объектами наблюдения в попытках обойти это ограничение.

Детально результаты вычислительного эксперимента изложены в статье в журнале Physical Review Letters.

В своей работе ученые из США моделировали рассеяние электронного импульса длительностью 110*10^-18 секунды на различных атомных и молекулярных цепях. При различных вариантах взаимодействия электронного импульса с «мишенью» исследования показали, что, несмотря на упругие столкновения, наблюдение таких атомных систем возможно. Более того, ученые дали детальную картину того, что экспериментаторы смогут наблюдать на практике. Таким образом, будет проще интерпретировать результаты, когда исследования наконец дойдут до стадии практики.

Визуализация процессов, происходящих с электронами в атомах и молекулах во время химических реакций, в будущем позволит не просто глубже понять механизмы электронного обмена, но и управлять ими.