Uno de los torbellinos mentales más famosos del mundo cuántico es el experimento mental conocido como "El gato de Schroedinger", en el que un gato colocado en una caja y potencialmente expuesto al veneno está simultáneamente muerto y vivo hasta que alguien abre la caja y miradentro.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que un átomo o una molécula también pueden estar en dos estados diferentes a la vez. Ahora, los investigadores del Instituto PULSE de Stanford y el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía han explotado este comportamiento del gato de Schroedinger para crear X-películas de rayos de movimiento atómico con mucho más detalle que nunca.
La primera prueba de esta idea, en el láser de rayos X Linac Coherent Light Source LCLS de SLAC, creó la película de rayos X más detallada del mundo de la maquinaria interna de una molécula, en este caso, una molécula de dos átomos.de yodo. Los resultados, basados en un experimento dirigido por Mike Glownia, científico del personal de SLAC, se informaron en un artículo que se publicó en el repositorio en línea de arXiv y se aceptó para su publicación en Cartas de revisión física .
Ampliación de vibraciones atómicas
El equipo pudo ver detalles del comportamiento de la molécula tan pequeños como 0,3 angstrom, menos que el ancho de un átomo, y tan breves como 30 millonésimas de mil millonésimas de segundo, una escala de tiempo que captura las vibraciones de los átomos.y moléculas. Además, dicen que su método se puede aplicar retroactivamente a datos de experimentos pasados, no solo a estudios futuros.
"Nuestro método es fundamental para la mecánica cuántica, por lo que estamos ansiosos por probarlo en otros sistemas moleculares pequeños, incluidos los sistemas involucrados en la visión, la fotosíntesis, la protección del ADN del daño de los rayos UV y otras funciones importantes en los seres vivos", dijo Phil Bucksbaum.profesor en SLAC y la Universidad de Stanford y director de PULSE, que es operado conjuntamente por el laboratorio y la universidad.
La nueva técnica se basa en el hecho de que cuando una molécula absorbe una breve ráfaga de energía, se divide en dos versiones de sí misma: una excitada y la otra no. Una ráfaga de seguimiento de luz láser de rayos X se dispersaambas versiones de la molécula y se recombina para formar un holograma de rayos X que, después de un procesamiento inteligente, revela el estado excitado de la molécula con un detalle asombroso. Al encadenar una serie de estas instantáneas de rayos X, los científicos pueden hacer una paradapelícula de acción.
"Nuestra película, que se basa en imágenes de miles de millones de moléculas de gas de yodo, muestra todas las formas posibles en que se comporta la molécula de yodo cuando se excita con esta cantidad de energía", dijo Bucksbaum.
"Vemos que comienza a vibrar, con los dos átomos girando hacia y alejándose el uno del otro como si estuvieran unidos por un resorte. Al mismo tiempo, vemos que el enlace entre los átomos se rompe y los átomos vuelan hacia elSimultáneamente, los vemos todavía conectados, pero colgando por un tiempo a cierta distancia el uno del otro antes de regresar. A medida que pasa el tiempo, vemos que las vibraciones disminuyen hasta que la molécula está en reposo nuevamente. Todos estos posibles resultados sucedenen unas pocas billonésimas de segundo ".
Usar los estados del gato para hacer una película
Aunque el pulso láser inicial alcanza solo el 4 o el 5 por ciento de las moléculas en la nube de gas de yodo, sería incorrecto decir que solo esta pequeña fracción se excitó y el resto no, agregó Bucksbaum. En términos de mecánica cuántica, cadauna sola molécula estaba un poco excitada, como un gato de Schroedinger que está vivo y muerto.
Este estado dual fue clave para hacer la película molecular. Permitió que los rayos X rebotaran en ambos estados de una molécula a la vez y se recombinaran para formar un holograma, un patrón de anillos concéntricos que son más brillantes donde las dos señales refuerzanentre sí y más oscuros donde se cancelan entre sí. El hecho de que este patrón se formó en el detector LCLS demuestra que los estados excitado y no excitado estaban presentes simultáneamente en todas y cada una de las moléculas, dijo Bucksbaum; si hubieran estado separados incluso por una pequeña distancia, el patrón no podría haberse formado.
El equipo utilizó técnicas matemáticas tomadas de la física atómica para amplificar la señal del estado excitado, que formaría la base de la película. Pero la señal del estado no excitado también jugó un papel importante, sirviendo como punto de referencia que les ayudóreconstruir el comportamiento de la molécula excitada en tres dimensiones en un proceso conocido como "puesta en fase".
Cualquier grupo de moléculas golpeadas con un pulso láser responderá de la misma manera, dividiéndose en el equivalente de gatos vivos y muertos, dijo Bucksbaum. Pero el proceso solo puede observarse clara y directamente con pulsos intensos y ultracortos de luz coherente como esosde un láser de rayos X, y hasta ahora nadie había pensado en aprovechar la conexión del gato de Schroedinger para afinar las imágenes tomadas con rayos X.
"La comunidad de difracción de rayos X nunca había usado estas herramientas de la manera en que lo hicimos nosotros", dijo Adi Natan, un investigador asociado de PULSE y físico experimental que dirigió esa parte del proyecto. Dijo que el equipo ya está aplicando su método a los datosde experimentos anteriores en LCLS para ver si pueden crear más películas moleculares.
LCLS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE e incluyó a científicos de PULSE, LCLS y Stanford.
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Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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