Свобода элементарных частиц оказалась относительной

Красная квантовая точка (Quantum Dot), удерживаемая золотыми «ограничителями» движения. Иллюстрации Physorg

Англичане Макс Перутц и Джон Кендрью получили в 1962 году Нобелевскую премию по химии за рентгеноструктурный анализ гемоглобина и миоглобина. Перутц показал, что железо, удерживаемое в центре порфиринового кольца пурпурного цвета, вытягивается электроотрицательным кислородом из плоского кольца вверх. После отщепления кислорода железо возвращается в исходное положение, присоединяя углекислый газ к легким.

Но «миграции» атомов на самом деле никто не наблюдал воочию, пока не появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Так были не только увидены атомы ксенона, но и получена возможность перемещать их по поверхности подложки. (Кстати, таким способом была выложена из отдельных атомов аббревиатура названия компании IBM.) Ученым удалось разглядеть молекулу бензола с его шестью атомами углерода и некоторые другие сложные молекулы.

Получение графена, за что также была присуждена Нобелевская премия, открыло новые перспективы для изучения физико‑химических закономерностей. Недавно было показано, что образование связи углерода и водорода (С‑Н) приводит к «вытягиванию» последним одного из углеродов графенового кольца. С помощью сфокусированного пучка электронов углерод в кольце заменили на фосфор, который также выступает над плоскостью графена, образуя купол.

Но эти работы лишь косвенно позволяют выявить характер и силу химических связей, что крайне важно как для физиков, так и для химиков. И вот в 2019 году журнал Nature обратил внимание читателей на результаты, полученные сотрудниками Университета Либиха в г. Гессен (ФРГ). Немецкие исследователи видоизменили АТМ – микроскоп атомной силы, – чтобы выявить связи в трифениленовом радикале, присоединившем йод (I).

Маленькое историческое отступление. Юстус фон Либих (1803–1873) был выдающимся химиком. Уже в 27 лет его избрали в Петербургскую академию наук. Он выделил титан, открыл изомерию органических соединений, органические радикалы и создал теорию брожения, объяснившую, почему для получения квашеной капусты ее солят

Эксперты отметили, что «простой трюк позволил весьма чувствительному инструменту выявить мельчайшие детали химической структуры соединения». Трюк заключался в присоединении к кончику АТМ молекулы СО (угарного газа). АТМ в отличие от СТМ позволяет измерить электрическую силу отталкивания, что предпочтительнее при исследовании химических связей. В Гессене в качестве подложки использовали не графен, а серебро и к тому же поддерживали постоянный ток. В результате чувствительный кончик микроскопа смещался вверх‑вниз на пикометры (10–12 м). Благодаря этому была получена 3D‑картина радикала, на которой удалось разглядеть особенности химических связей в нем (Physical Review Letters).

В этом же журнале опубликована статья сотрудников Базельского университета о спектроскопии квантовых точек с нанометровым диаметром. Это позволило впервые непосредственно увидеть геометрию электронного спина, представляющего собой величину поворота угла оси вращения электрона. Но до сих пор в квантовой физике незыблемым был принцип неопределенности Гейзенберга, запрещающий одновременное измерение положения и скорости электрона в его вращении вокруг ядра. Швейцарцы нарушили запрет, создав квантовую точку, улавливающую отдельный электрон с показом вероятностей его нахождения. Визуально это было представлено как красный эллипс.

Авторы пишут, что их ловушка позволила пространственно ограничить свободный электрон в объеме, который всего лишь в 1000 раз больше реального атома. Помогают удержанию электрона в «тесном» пространстве сильные магнитные поля. Ученым удалось точно определить орбитальные эффекты сильного поля на квантовую точку.