Jedna od najpoznatijih mozgalica kvantnog svijeta misaoni je eksperiment poznat kao "Schrödingerova mačka", u kojem je mačka stavljena u kutiju i potencijalno izložena smrtonosnom otrovu istovremeno mtrva i živa sve dok netko ne otvori kutiju i zaviri unutra.
Znastvenici u stanfordskom Institutu PULSE i Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju SLCA iskoristili su ponašanje Schrodingerove mačke kako bi stvorili do sada najdetaljnije rendgenske snimke kretanja atoma, konkretno, dvoatomske molekule joda.
Zumiranje na vibracije atoma
Tim je bio u stanju vidjeti detalje ponašanja molekule veličine samo 0,3 angstroma, što je manje od širine atoma. Snimka traje samo 30 milijunskih milijaditih dijelova sekundi, a to je vremenska skala na kojoj se bilježe vibracije atoma i molekula.
Nova se tehnologija temelji na činjenici da kada molekula apsorbira kratki izboj energije, podijeli se u dvije verzije same sebe - jednu uzbuđenu i jednu ne. Nakon toga rendgenska laserska zraka rasprši obje verzije molekule te se zatim rekombinira da oblikuje rendgenski hologram koji, nakon nešto pametnog procesiranja, otkrije nevjerojatno detaljno uzbuđeno stanje molekule.
"Vidimo kako počinje vibrirati, s dva atoma koji se približuju i udaljavaju jedan od drugoga kao da su spojeni oprugom. U isto vrijeme vidimo kako se veza između atoma lomi, te da atomi lete u prazninu. Istovremeno ih vidimo kako su još uvijek spojeni, ali su neko vrijeme udaljeni jedan od drugog prije nogo što se ponovo približe. Kako vrijeme prolazi vidimo kako se vibracije smanjuju dok se molekula ponovo ne smiri. Svi ti mogući rezultati pogađanja rendgenskom laserskom zrakom dogode se unutar nekoliko bilijunki sekunde", kaže Phil Bucksbaum, profesor u SLAC-u i Sveučilištu Stanford i direktor PULSE-a.
Korištenje stanja mačke
Iako početna rendgenska laserska zraka pogodi samo četiri do pet posto molekula u plinskome oblaku joda, ne bi bilo točno reći kako je samo mali djelić oblaka bio uzbuđen, a ostatak nije, tvrdi Bucksbaum. Koristeći termine kvantne mehanike, svaka je molekula bila barem malo uzbuđena, poput Schrodingerove mačke koja je i mrtva i živa.
Ovo dvostruko stanje ključ je u kreiranju filma o molekuli. Omogućilo je rendgenskoj zraci da se odbije od oba stanja molekule istovremeno te da tako formira hologram - snimku koncentričnih krugova koji su sjajniji tamo gdje se dva signala međusobno pojačavaju a tamniji tamo gdje se isključuju. Činjenica da se taj uzorak oformio dokazuje da su uzbuđeno i neuzbuđeno stanje stanje simultano postojali u svakoj molekuli. Da su bili razdvojeni i najmanjom udaljenošću, uzorci se ne bi mogli formirati.
Tim je koristio matematičke tehnike posuđene iz atomske fizike kako bi pojačali signal uzbuđenog stanja, koji je tvorilo osnovu filma. Ali i signal iz neuzbuđenog stanja igra važnu ulogu, jer služi kao referentna točka koja pomaže rekonstruirati ponašanje uzbuđene molekule u tri dimenzije.
Bilo koja grupa molekula pogođena rendgenskom laserskom zrakom reagirati će na isti način, dijeljenjem na jednaki broj mrtvih i živih mačaka, kaže Bucksbaum. Ali proces se može jasno vidjeti samo pomoću intenzivnih, ultrakratkih pulseva koherentnog svjetla poput onog od rendgenskog lasera, a do sada nitko nije iskoristio vezu sa Schrodingerovom mačkom kako bi na taj način izoštrio slike snimljene s redgenskim laserom.
