Sammanflätade atomer får symmetriska molekyler se icke-symmetriska ut

2024-02-21

Forskare vid Uppsala universitet har bestrålat syremolekyler med röntgenljus och fått ett spridningsmönster som liknar det som uppstår om man skulle ha en bruten symmetri. Men spridningsmönstret har istället uppstått på grund av att syreatomerna är sammanflätade och symmetrin är bevarad.

Molekyler som kväve och syre är uppbyggda av två exakt likadana atomer. De är symmetriska i den mening att det inte går att skilja den ena atomen från den andra. Man skulle kunna föreställa sig att denna symmetri bryts om man tar bort en elektron från en av atomerna i molekylen, men man kan inte veta om det är atomen till vänster eller höger som saknar elektronen. Symmetrin bevaras i ett tillstånd som är en kombination av att elektronen saknas från vänster eller höger atom. 

Detta är en av kvantmekanikens märkliga konsekvenser som verkar strida mot sunt förnuft. Det kända tankeexperimentet med Schrödingers katt konstruerades för att visa hur absurd principen är – där en katt i en stängd låda varken är levande eller död, utan en kombination av de båda tillstånden, ända tills man öppnar lådan och tittar efter. 

I båda bilderna ser man det spridningsmönster som uppstår när ljus, som kommer in från vänster (röd pil) sprids mot en syremolekyl (i mitten). I bilden till vänster ser man det spridningsmönster som uppstår om spridningen på de båda atomerna är samtidig. Eftersom det tar tid (mindre än en attosekund) för ljuset att färdas från den ena atomen till den andra skapas också spridningsmönstret i bilden till höger. Bild: Johan Söderström.

Redan för tjugo år sedan visste man att bestämda regler gäller för spridning av röntgenljus som beror på den molekylära symmetrin. I tidigare experiment, där man tagit bort en elektron genom att bestråla molekyler med röntgenljus, har det sett ut som att spridningen av ljuset sker på ett och samma ställe och inte på de enskilda atomerna. Orsaken till detta är att atomerna helt enkelt är väldigt nära varandra. Man har då inte tänkt på att det faktiskt tar lite tid för röntgenljuset att gå från den vänstra till den högra atomen. Det innebär att det är möjligt att ta bort en elektron från de olika atomerna vid olika tidpunkter. Den tid det tar för ljuset att gå från en atom till den andra är mycket mindre än en attosekund (10-18s), men den är möjlig att se när man mäter det välkända spridningsmönster som uppstår. Detta kan man tolka som att röntgenljuset sprids på två sammanflätade syreatomer istället för på en syremolekyl.

I den nya forskningsstudien har Uppsalaforskare tillsammans med forskare vid MAX IV-laboratoriet i Lund byggt en unik mätstation med en tio meter lång röntgenspektrometer som kan rotera runt det prov man studerar. Med hjälp av den har de mätt spridningsmönstret från en syremolekyl. 

Spridningsmönstret visar på ett liknande interferensmönster som uppstår vid det dubbelspaltexperiment Thomas Young gjorde för att visa på ljusets vågnatur på 1800-talet, där man inte vet vilken spalt ljuset går igenom. På motsvarande sätt har forskarna i den nya studien visat att om man inte vet vilken syreatom röntgenljuset sprids mot, uppstår ett liknande interferensmönster på grund av att atomerna är sammanflätade.

– Nu kopplar vi ihop det välkända dubbelspaltsexperimentet med modern kvantmekanik. Därmed kan vi se att när en elektron tas bort från en av syreatomerna blir de två syreatomerna sammanflätade, säger Johan Söderström, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi, som har lett forskningsprojektet.

De nya rönen gör att många tidigare experimentresultat inom fältet måste omtolkas. Att man nu har förstått effekterna av sammanflätningen gör att metoden nu också kan användas varhelst syremolekyler är svagt bundna. Det gäller i mängder av livsviktiga processer, till exempel vid syremolekylers transport från lungorna ut i blodet eller i modern teknik och bundna syremolekylers roll i batterikatoder.

Artikelreferens

Johan Söderström et al., Parity violation in resonant inelastic soft x-ray scattering at entangled core holes. Sci. Adv.10, eadk3114 (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk3114

Camilla Thulin

Senast uppdaterad: 2023-08-04