Фотоионизационная микроскопия позволила выполнить первые непосредственные наблюдения орбитальной структуры атома водорода, «поймав в кадр» волновую функцию его электрона.

Результаты наблюдений атомов водорода, находящихся в четырех различных штарковских состояниях.
Изображения, полученные с помощью резонансной (В) и нерезонансной (А, С) ионизации.

Несмотря на то что физики могут теоретически предсказать форму волновой функции, описывающей вероятность нахождения частицы в той или иной области пространства, экспериментальное подтверждение таких расчетов — непростая задача. Законы квантовой механики не позволяют измерить параметры частицы, не вызвав коллапс волновой функции, поэтому общую картину приходится реконструировать на основе множества измерений, выполненных для одинаково подготовленных атомов или молекул.

Новые эксперименты международной группы физиков позволили отобразить волновую функцию электрона атома водорода при помощи метода фотоионизационной микроскопии, предложенного около 30 лет назад, но реализованного на практике только сейчас. Атомы водорода, помещенные в сильное электрическое поле, возбуждались при помощи лазерных импульсов. «Сбежавшие» электроны попадали на МКП-детектор, и интерференционная картина, создаваемая множеством таких столкновений, отражала узловую структуру волновой функции. Использование электростатической линзы, увеличившей изображение, сделало возможным получить «квантовый портрет» атома. Проводились эксперименты как с резонансной ионизацией, в результате которой атом достигал ридберговского состояния, так и с нерезонансной ионизацией.

В настоящее время ведутся аналогичные исследования атомов гелия, пара электронов которого может продемонстрировать весьма интересные взаимодействия.

По материалам ScienceNOW, IOP