In diesem Papier,
Lokalisierung eines Atoms durch Homodynmessung. AM Herkommer et al. Quantenhalbklasse. Option. 8 nr. 1, p. 189 (1996) (Paywall).
die Autoren sind in der Lage, Atome mittels Homodyn-Messung zu lokalisieren. Wäre es zu naiv zu glauben, dass wir die Position von Atomen messen können, aus denen Moleküle bestehen? Ich weiß, dass die LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals) eine weit verbreitete Methode zur Annäherung von Molekülorbitalen ist. Dies führt mich zu der Überlegung, ob wir Homodynmessungen verwenden können, um die Position von Atomen in einem Molekül zu messen. Wenn Homodyn-Messungen nicht funktionieren, welche anderen Möglichkeiten gibt es, um Informationen über die Positionswellenfunktion von Molekülen zu erhalten, beispielsweise für H 2 ?
Beispiel, das ich erwäge: Ich denke, dass die Positionswellenfunktion für H 2 seine Molekülorbitale wären. Wenn wir seine molekulare Wellenfunktion als lineare Kombination zweier atomarer H-Orbitale abschätzen würden, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, dann ... kann es nicht eine Möglichkeit geben, homodyne Messtechniken anzuwenden, um Informationen über die Positionswellenfunktion der beiden zu erhalten H-Atome?
Das Dokument, auf das Sie verweisen, beschreibt die Messung der Massenschwerpunktposition des Atoms mit Licht. Dies ist durchaus möglich, allerdings grundsätzlich auf Auflösungen von höchstens einem etwa großen Bruchteil der Lichtwellenlänge (bei etwa 400 mn) beschränkt. Diese Methode könnte im Prinzip auf ein kleines Molekül wie H 2 ausgedehnt werden (obwohl ich vermute, dass Sie sie in ihrem Rotationsgrundzustand benötigen würden, damit die Ausrichtung der Kerne vollständig delokalisiert wäre), aber die Auflösung macht es völlig unmöglich, sie aufzulösen submolekulares Detail: Die Kerne sind höchstens ~ 1 Å voneinander entfernt, also ein paar hundert Mal kleiner als Ihre Auflösung.
Um auf die räumliche Struktur eines Moleküls zuzugreifen, braucht man also feinere Werkzeuge – und vor allem eine viel kleinere Wellenlänge. Die typischen Lösungen für dieses Problem bestehen entweder in der Verwendung von Röntgenstrahlen (die routinemäßig in der Röntgenkristallographie zum Ablesen von Kristallstrukturen aus Beugungsmustern verwendet werden) oder schnellen Elektronen (die in Elektronenmikroskopen schöne Bilder erzeugen). Beide können für einzelne Moleküle verwendet werden, aber wie Sie vielleicht erwarten, ist es ziemlich viel Arbeit, nützliche Bilder von Molekülen zu erhalten, die nur herumfliegen, anstatt in einem geordneten Kristall zu sitzen.
Ein großes Problem ist die Ausrichtung. Wenn Sie beispielsweise den Abstand zwischen den Kernen in H 2 messen möchten , müssen Sie wissen, dass das Molekül relativ zu Ihrem Apparat in eine bestimmte Richtung zeigt. Dazu müssen Sie Ihre Moleküle in einem Überschallgasstrahl auf ihren Rotationsgrundzustand abkühlen, dann einen starken (fast) Laserpuls auf Ihre Moleküle richten, um ihnen einen Kick zu geben, und eine Rotationsperiode warten, bis sie sich wieder ausrichten. (Diese Technik ist als impulsive Ausrichtung bekannt .)
Nachdem Sie Ihre Moleküle ausgerichtet haben, haben Sie nun die Wahl zwischen Röntgenstrahlen und Elektronen.
Um Röntgenstrahlen für diese Art von Anwendung zu verwenden, benötigen Sie einen sehr kurzen, intensiven und kohärenten Röntgenstrahl, um ein Beugungsmuster von Molekülen in der Gasphase hervorzubringen. Diese sind vor allem von Freie-Elektronen-Lasern erhältlich . (Sie könnten auch die Erzeugung hoher Harmonischer als Lichtquelle verwenden , mit dem sehr relativen Nachteil, dass Sie mit zwei Tischgasdüsen arbeiten müssen.) Beide Quellen erzeugen Impulse, die kurz genug sind, um in eine Rotationsbelebung zu passen und - noch besser - ermöglichen zeitaufgelöste Untersuchungen der Kernbewegung innerhalb eines Moleküls. Sie können nicht nur die Abstände zwischen den Kernen aus den Beugungsmustern ablesen, sondern auch beobachten, wie dieser Abstand oszilliert, nachdem das Molekül auf irgendeine Weise angeregt wurde. Versuchen Sie es für eine gute Referenz
Röntgenbeugung an isolierten und stark ausgerichteten Gasphasenmolekülen mit einem Freie-Elektronen-Laser. J. Küpper et al. Eingereicht bei PRL. arXiv:1307.4577 .
Die Verwendung von Elektronen ist gegenüber einem herkömmlichen Ansatz schwierig: Wenn Sie versuchen würden, Ihre Gasphasenmoleküle in einen Elektronenstrahl zu werfen, der stark genug ist, um Interferenzen zu erkennen, würden Sie Ihre Proben vollständig sprengen. Der clevere Weg, dies zu umgehen, ist die Elektronenbeugung mit einem Elektron, das aus dem Molekül selbst stammt: Es wird durch ein starkes Laserfeld entfernt und dann durch denselben Laser wieder auf das Molekül zu beschleunigt. Es kollidiert dann mit Energien von 100 eV oder mehr, was sehr kleine Wellenlängen und damit eine hohe Ortsauflösung ermöglicht. Bei der Kollision kann eine Reihe von Dingen passieren:
Es besteht eine endliche Chance, dass das Elektron in den neutralen Grundzustand rekombiniert und seine Energie als kurze Explosion von XUV-Strahlung freisetzt. Dies ist High Harmonic Generation, und Sie können in das Spektrum der erzeugten Harmonischen Ihres Antriebsfelds schauen, um eine Menge Informationen über Ihr Molekül zu erhalten. Sie können zum Beispiel die Doktorarbeit von Xibin Zhou als Einführung verwenden .
Das Elektron kann einfach von dem Molekül abgelenkt werden. Dies wird als Laserinduzierte Elektronenbeugung bezeichnet und ermöglicht eine hochempfindliche Abbildung sowohl der Kernpositionen als auch des Elektronenorbitals (ja! einschließlich seiner Phase!), aus dem das Elektron ionisiert wurde. Diese Folien von Eric Charron bieten eine schöne Einführung mit Handbewegungen; für eine vollständigere Referenz siehe
Bildgebung ultraschneller Molekulardynamik mit laserinduzierter Elektronenbeugung. CI Blaga et al. Nature 483 , S. 194–197 (2012) . Etwas zweifelhaftes PDF ist verfügbar .
Sie können auch die Holographie in Gang bringen: Sie können Interferenzen zwischen dem Beugungsmuster und dem ursprünglichen ionisierten Wellenpaket beobachten. Dies bietet eine Fülle von Informationen über die Phase des gebeugten Elektronenstrahls und damit mehr Informationen über das Molekül. Eine Anlaufstelle dafür ist
Zeitaufgelöste Holographie mit Photoelektronen. Y. Huismans et al. Wissenschaft 331 Nr. 6013 (2011), S. 61–64 . HAL E-Print .
... und ich glaube, ich höre hier auf. Wie Sie sehen können, ist dies ein sehr aktives Studiengebiet, und neue Anwendungen werden höchstwahrscheinlich in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten auftauchen. Freie-Elektronen-Laser beginnen erst wirklich als zuverlässiges Forschungswerkzeug, obwohl sie unhandlich sind, da sie eine Beschleunigeranlage benötigen. HHG und seine verwandten Einrichtungen benötigen Tischlaser, damit sie in ein Labor passen (aber die Tische sind ziemlich groß) und wachsen immer noch schnell. Alles in allem, weiter so!