Датские и немецкие исследователи впервые зафиксировали на видео вращение единственной молекулы, состоящей из трёх различных атомов, и сверили полученные кадры с теоретическими предсказаниями. Их работу опубликовали в журнале Nature Communications. «Физики давно хотели увидеть движение атомов в очень быстрых процессах. Это сложная задача, потому что молекулы не ведут себя как набор шариков и палочек: их динамику определяет квантовая механика — точные координаты и импульсы отдельных атомов измерить нельзя», — поясняет Йохен Кюппер (Jochen Kuepper) из Гамбургского университета (Германия). В последние годы появление мощных рентгеновских лазеров, генерирующих экстремально короткие световые импульсы, открыло доступ к глубинным явлениям в мире молекул и элементарных частиц. Например, в начале этого десятилетия учёные получили первые «атомные» изображения вирусов и белков. Позднее они засняли химическую реакцию, сделали фото электронов в алмазе и получили первые снимки одиночной водородной связи — ключевого элемента в построении белков, ДНК и других молекул жизни. Однако, как отмечает Кюппер, всё это не давало возможности решить более простую, но принципиальную задачу — наблюдать за тем, как молекула вращается и меняет форму при взаимодействии с окружающими или в ходе элементарных химических процессов. Проблема заключалась в том, что рентгеновские импульсы разрушают молекулу почти сразу после прохождения через неё. Немецкие учёные нашли хитрое решение: они работали не с одной молекулой, а с сотнями, применили два типа лазеров и использовали определённые квантовые закономерности, которые упростили эксперимент. В качестве первой модели выбрали сульфоксид углерода — молекулу, состоящую из атомов углерода, серы и кислорода, связанных прочными ковалентными связями. Подготовив облако таких молекул, исследователи пропускали через него два очень коротких импульса инфракрасного лазера. Интервал между вспышками был меньше времени, за которое сульфоксид углерода совершает один оборот вокруг своей оси. В результате вращения молекул, подвергшихся обоим импульсам, синхронизировались благодаря квантовым эффектам. Это дало набор практически одинаково ориентированных молекул, каждую из которых затем освещали вторым, более мощным импульсом, достаточно сильным, чтобы зафиксировать структуру, но разрушающим молекулу при контакте. Подсвечивая каждую копию сульфоксида в этой «серии», учёные собрали короткую киноленту из 650 кадров, на которой видно полтора оборота молекулы вокруг своей оси. Один полный виток, как удалось выяснить, занимает около 82 пикосекунд — 82 триллионных долей секунды. В целом экспериментальные данные полностью согласовались с вычислениями, что указывает на глубокое понимание учёными структуры молекул и законов, управляющих их вращением.