Физики разработали новый метод визуализации, который позволяет зафиксировать сложное квантовое взаимодействие нескольких электронов в молекуле. Корреляции между ними тесно связаны с волновой функцией, определяющей квантовое состояние системы, что позволяет восстановить и визуализировать форму ее квадрата. Статья с результатами опубликована в Nature Communications.

Существует целый набор методик, позволяющих визуализировать облака плотности от отдельных электронов в атомах и молекулах. Однако метода непосредственного определения корреляций нескольких электронов не было. В новой работе международного коллектива из Германии, Испании, США и России, которую представил Владислав Серов из Саратовского университета, впервые предлагается такой метод, что позволит изучать влияние электронов друг на друга.

«Существуют другие методы, позволяющие восстановить корреляции по разным наблюдения, однако, насколько мне известно, мы впервые напрямую измерили их, просто наблюдая спектр, — говорит соавтор работы Фернандо Мартин из Автономного университета Мадрида. — Зафиксированные спектры идентичны Фурье-образам различных частей квадрата волновой функции (или, что эквивалентно, различным частям волновой функции в пространстве импульсов). Никаких процессов восстановления, фильтрации или трансформации не требуется — спектр напрямую отражает волновую функцию».

На изображениях a-c показан квадрат волновой функции, вычисленный в приближении Хартри — Фока, на изображениях d-f показаны полученные в эксперименте результаты для квадрата волновой функции. M.Waitz et. al

«Саму волновую функцию в квантовой физике наблюдать невозможно, поэтому ее нельзя измерить непосредственно, — поясняет Мартин. — Наблюдать можно только ее квадрат (если у вас есть подходящие инструменты). Это один из базовых принципов квантовой механики». Работоспособность метода, который представляет из себя комбинацию двух известных ранее способов, авторы продемонстрировали, исследовав молекулу водорода. Они отмечают, что при помощи этого подхода также можно изучать как системы с большим количеством электронов, так и корреляции между волновыми функциями разных молекул.

То, что межэлектронные корреляции можно изучать напрямую, будет иметь важные последствия для понимания базовых свойств материи. В частности, один из наиболее распространенных методов приближенного вычисления волновой функции — метод Хартри — Фока — не учитывает такие корреляции, что приводит к тому, что сделанные на его основе вычисления расходятся с результатами экспериментов. Также электронные корреляции представляют собой основу таких квантовых явлений, как сверхпроводимость и гигантское магнетосопротивление.