تابع موج الکترون یا هر ذره‌ی زیراتمی، یک موجود ریاضی است که در دنیای واقعی، تفسیر سرراستی ندارد، اما مجذور آن، احتمال حضور ذره را در فضا نشان می‌دهد (قاعده‌ی بورن). اکنون دانشمندان در پژوهشی جدید و هیجان‌انگیز، موفق به تصویربرداری از مجذور تابع موج مولکول دو الکترونی هیدروژن شده‌اند. آنها سعی دارند از این روش برای تصویربرداری مولکول‌های چند الکترونی و سیستم‌های چند مولکولی استفاده نمایند. نتیجه‌ی این پژوهش در تازه‌ترین شماره‌ی مجله‌ی معتبر Nature Communications منتشر شد. با کاوش الکترو همراه باشید…

گروهی بین المللی از فیزیکدانان، برای نخستین بار، موفق به توسعه‌ی روشی برای ثبت تصویری مجازی از درهم تنیدگی الکترون‌ها شده‌اند. از آنجایی که این همبستگی، نقشی اساسی در تعیین تابع موج یک مولکول دارد، محققان از روش جدیدی برای ثبت اولین تصویر از مجذور تابع موج دو الکترون در یک مولکول هیدروژن استفاده کردند. اگرچه روش‌های متعددی برای تصویربرداری از الکترون‌های منفرد در اتم‌ها یا مولکول‌ها، توسعه یافته، اما این نخستین روشی است که توانایی تصویربرداری از همبستگی میان الکترون‌ها را داشته و به محققان اجازه می‌دهد چگونگی تاثیر ویژگی‌های الکترون‌ها بر یکدیگر را بررسی نمایند. پروفسور وایتز، مسول این پروژه می‌گوید:

روش‌های دیگری هم وجود دارد که به بازسازی همبستگی از مشاهدات مختلف کمک می‌کند؛ با این حال، آنطور که من می‌دانم، این اولین بار است که یک تصویر مستقیم از همبستگی را تنها با نگاه به طیف می‌توان ثبت نمود. در واقع، طیف ثبت شده، همانند تبدیل فوریه‌ی اجزای مختلفِ مجذور تابع موج است. در این روش، هیچ بازسازی یا فیلتر یا تبدیلی، مورد نیاز نیست. طیف ثبت شده، به طور مستقیم اجزای تابع موج را در فضای حرکتی بازتاب می‌دهد.

روش جدید در واقع ترکیبی از دو روش تصویر‌برداری است که امروزه به طور گسترده در حال استفاده هستند: تصویر برداری فوتوالکترون و ردیابی همزمان اجزای واکنش. محققان به طور همزمان از هر دو روش استفاده کردند: از روش اول برای ثبت یک الکترون بر روی یک آشکارساز و  از روش دوم بر روی الکترون دیگر، به منظور بررسی تغییر خواص آن در پاسخ به الکترون اول.

استفاده‌ی همزمان از هر دو روش نشان می‌دهد که چگونه این دو الکترون همبسته می‌شوند و تصویری از مجذور تابع موج دو الکترون مربوط به H2 را تولید می‌کنند. فیزیکدانان بر روی یک نکته‌ی مهم تاکید می‌کنند: این‌ها تصاویری از مجذور تابع موج است و نه خود تابع موج. آنها می‌گویند:

تابع موج، یک مشاهده‌پذیر در فیزیک کوانتومی نیست، بلکه فقط مجذور تابع موج قابل مشاهده است؛ و این یکی از قوانین فیزیک کوانتومی به شمار می‌رود. کسانی که ادعا می‌کنند تابع موج را مشاهده می‌کنند واقعیت را نمی‌گویند، زیرا چنین چیزی امکان ندارد. آنچه آن‌ها انجام می‌دهند در واقع بازسازی طیف‌ها با برخی از تقریب‌هاست. مشاهده‌ی تابع موج به طور مستقیم، امکان‌پذیر نیست.

محققان امیدوارند از یافته‌های جدید و با استفاده از ردیابی اجزای واکنش‌های چند الکترونی بتوانند تصویر تابع موج مولکول‌های چند الکترونی را نیز بررسی نمایند. این روش همچنین می‌تواند منجر به ایجاد تصویری از همبستگی بین توابع موج مولکول‌های چندگانه شود. پروفسور مارتین یکی از اعضای این گروه تحقیقاتی می‌گوید:

گام بعدی، این است که یک روش مشابه را در مولکول‌های پیچیده‌تر به‌کار گیریم. به احتمال زیاد، این روش برای مولکول‌های کوچک کارایی خواهد داشت، اما اعتبار آن در بررسی مولکول‌های بسیار پیچیده، روشن نیست و این، نه به دلیل محدودیت در ایده اولیه، بلکه عمدتا به دلیل محدودیت‌های تجربی است، زیرا آزمایش‌های همبستگی در مولکول‌های پیچیده، به علت تعدد درجات آزادی هسته‌ها، بسیار پیچیده است.

توانایی تجسم همبستگی الکترون-الکترون و توابع موج مولکولی مربوطه، به دلیل اهمیت آن برای درک خواص اساسی ماده، سال‌ها مورد توجه دانشمندان بوده است. به عنوان مثال، یکی از روش‌های رایج برای تقریب یک تابع موج، روش هارتری-فاک (Hartree-Fock) است، اما این روش همبستگی الکترون-الکترون را در نظر نمی‌گیرد و در نتیجه اغلب با مشاهدات بدست آمده، همخوانی ندارد.

علاوه بر این، همبستگی الکترون-الکترون در قلب اثرات کوانتومی جذاب، مانند ابررسانایی (زمانی که مقاومت الکتریکی در دماهای بسیار سرد به صفر میل می‌کند) و مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر (زمانی که مقاومت الکتریکی با توجه به جهت‌گیری موازی مغناطیس شدگیِ لایه‌های مغناطیسی مجاور یکدیگر، به شدت کاهش می‌یابد) قرار دارد. همبستگی الکترونی، همچنین در انتشار همزمان دو الکترون از یک مولکول که یک فوتون منفرد را جذب کرده، نقش اساسی بازی می‌کند؛ پدیده‌ای که از آن به نام «یونیزاسیون دوگانه فوتونِ منفرد» یاد می‌شود. در نهایت، این نتایج می‌توانند منجر به کاربردهای عملی مانند توانایی پیاده‌سازی تصویربرداری همبستگی با لیزرهای میدان الکترونی و منابع اشعه ایکس مبتنی بر لیزر شود.