Para ilmuwan di EPFL telah mengungkapkan bagaimana gangguan kuantum dan simetri menentukan perilaku molekuler dalam tabrakan dengan permukaan emas, menawarkan wawasan baru ke dalam interaksi molekuler. Temuan ini dapat memiliki implikasi penting untuk kimia dan ilmu material.
Aturan kuantum yang membentuk tabrakan molekuler sekarang mulai menjadi fokus, menawarkan wawasan baru untuk kimia dan ilmu material.
Ketika molekul bertabrakan dengan permukaan, pertukaran energi yang kompleks terjadi antara molekul dan atom yang menyusun permukaan. Tetapi di bawah kompleksitas yang memusingkan ini, mekanika kuantum, yang merayakan 100 hari jadi tahun ini, mengatur prosesnya.
Gangguan kuantum, khususnya, memainkan peran kunci. Ini terjadi ketika jalur yang berbeda bahwa suatu molekul dapat mengambil tumpang tindih, menghasilkan pola interaksi tertentu: beberapa jalur saling menguatkan, sementara yang lain membatalkan seluruhnya. “Tarian Gelombang” ini memengaruhi bagaimana molekul bertukar energi dan momentum dengan permukaan, dan pada akhirnya seberapa efisien mereka bereaksi.
Tapi sampai sekarang, mengamati gangguan kuantum dalam tabrakan permukaan dengan molekul yang lebih berat seperti metana (ch4) hampir mustahil karena jumlah jalur yang luar biasa yang tersedia untuk sistem untuk mengambil dalam perjalanan ke hasil tabrakan yang berbeda. Banyak ilmuwan bahkan bertanya -tanya apakah semua efek kuantum akan selalu “mencuci” untuk proses ini sehingga hukum yang lebih sederhana dari fisika klasik, yang berlaku untuk objek sehari -hari, “makroskopis”, mungkin cukup untuk menggambarkannya.
Mengatasi tantangan mengamati gangguan kuantum dalam tabrakan permukaan metana, para peneliti dalam kelompok Rainer Beck di EPFL, dengan rekan kerja di Jerman dan Amerika Serikat, telah mengembangkan metode untuk memotong kompleksitas. Mereka menyetel molekul metana ke keadaan kuantum tertentu, menyebarkannya dari permukaan emas (AU), dan mengukur keadaan mereka setelah tabrakan.
Hasilnya, diterbitkan di Sainsmengungkapkan pola gangguan kuantum yang jelas, asumsi yang menantang tentang perilaku molekuler dan memberikan cara baru untuk mempelajari interaksi ini.
Gold Rush
Tim tidak menggunakan sepotong emas untuk berfungsi sebagai permukaan hamburan; mereka menggunakan sampel emas yang ditanam dengan hati -hati untuk menjadi kristal sempurna dan kemudian memotong arah khusus untuk mengungkapkan permukaan bernama “Au (111)”, yang secara atom halus dan inert secara kimia. Mereka juga menjaga permukaan di bawah vakum ultra-tinggi selama percobaan untuk mencegah kontaminasi dari partikel gas yang ada dalam kondisi ambien normal.
Kerataan dan kebersihan yang luar biasa dari permukaan Au (111) memastikan bahwa perilaku hamburan yang diamati muncul dari aspek gelombang kuantum mendasar daripada penyimpangan permukaan acak atau kotoran, yang memungkinkan tim untuk fokus murni pada efek interferensi.
Fokus Laser
Para peneliti kemudian menggunakan teknik berbasis laser untuk secara tepat mengontrol keadaan kuantum molekul metana sebelum mereka bertabrakan dengan permukaan emas dan mengukur keadaan kuantum yang ditempati molekul setelah tabrakan. Molekul metana secara alami ada dalam campuran keadaan energi yang berbeda, yang berarti getaran dan rotasi internal mereka bervariasi. Jadi untuk memastikan semua molekul dimulai dalam keadaan kuantum yang terdefinisi dengan baik, para peneliti pertama kali menembakkan laser pompa pada balok molekul metana, menarik mereka ke dalam keadaan kuantum yang terdefinisi dengan baik.
Mereka kemudian mengarahkan balok molekul metana pada permukaan Au (111) yang murni, di mana mereka bertabrakan dan tersebar. Setelah tabrakan, tim memukul molekul yang tersebar dengan laser penandaan yang disetel ke tingkat energi tertentu. Jika molekul berada dalam keadaan kuantum yang cocok, ia menyerap energi laser, menciptakan perubahan kecil dalam suhu molekul hamburan yang dapat diukur oleh para peneliti dengan detektor yang sangat sensitif yang disebut bolometer.
Gangguan kuantum terungkap
Para ilmuwan menggunakan metode ini untuk mengetahui kuantum mana yang menyatakan molekul metana yang ditempati setelah bertabrakan dengan permukaan emas. Ketika mereka membandingkan hasil mereka dengan teori kuantum, mereka menemukan bahwa simetri menentukan transisi mana yang diizinkan dan mana yang dilarang.
https://www.youtube.com/watch?v=7jt2uudl0ym
Secara sederhana, simetri menjelaskan bagaimana sesuatu tetap sama ketika dibalik, diputar, atau dipantulkan. Di dunia kuantum, setiap keadaan molekul memiliki simetri tertentu, dan transisi antar negara harus mengikuti aturan simetri yang ketat.
Jika dua keadaan molekul metana memiliki simetri yang tidak kompatibel, maka jalur yang berbeda yang diambil antara kedua negara ini saling membatalkan. Dalam hal ini transisi tidak terjadi seperti mencoba berjalan melalui pintu yang mengarah ke dinding bata. Tetapi ketika negara-negara memiliki simetri yang kompatibel, jalurnya saling menguatkan dan transisi kuat dan seperti pintu yang terlihat jelas menyelaraskan di antara kamar, memungkinkan gerakan yang halus. Ini mengkonfirmasi bahwa gangguan kuantum bukan hanya konsep abstrak tetapi secara aktif mengontrol perilaku molekuler di permukaan.
Koneksi Celah Ganda
Dalam makalah mereka, penulis menggambar analogi yang elegan dengan eksperimen ceramah yang terkenal, di mana partikel-partikel seperti elektron menghasilkan pola interferensi ketika melewati dua celah, berperilaku seperti gelombang, seperti halnya molekul metana menunjukkan interferensi di sini (lihat gambar).
Secara khusus, penelitian ini mengungkap bentuk baru gangguan kuantum dalam hamburan molekul. Berbeda dengan gangguan “difraktif” yang lebih akrab yang mempengaruhi sudut hamburan (seperti dalam eksperimen ceramah ganda), gangguan di sini mempengaruhi keadaan rotasi dan getaran molekul metana, menekan beberapa transisi sambil meningkatkan yang lain.
Penelitian ini menunjukkan – 100 tahun setelah munculnya mekanika kuantum – salah satu contoh paling jelas dari efek gelombang kuantum dalam interaksi permukaan molekul, membuka jalan bagi kemajuan dalam kimia permukaan, katalis energi yang lebih bersih, dan proses industri yang efisien. Mereka juga menyediakan kerangka kerja baru untuk mengeksplorasi interaksi molekuler baik dalam ilmu mendasar dan terapan.
Referensi
Reilly, CS, Auerbach, DJ, Zhang, L., Guo, H., & Beck, RD (2025). Gangguan kuantum yang diamati dalam hamburan permukaan molekul yang diselesaikan dengan negara. Sains 28 Februari 2025. ADU1023
