科学家首次捕捉到原子神秘的量子舞蹈

首次直接测量关联零点运动

长期以来，这些规律性的零点运动被认为无法直接测量。然而，法兰克福歌德大学及合作机构的研究人员如今在世界最大的X射线激光器——德国汉堡欧洲XFEL上成功实现了这一目标。他们通过向单个分子投射"聚光灯"并拍摄其原子快照，捕捉到"原子之舞"，揭示了每个原子的精确运动轨迹。

法兰克福歌德大学核物理研究所及海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的蒂尔·扬克教授解释道："我们工作的激动人心之处在于，我们发现原子并非单独振动，而是遵循固定模式进行耦合振动。我们首次在处于最低能态的单个中型分子中直接测量到这种行为。这种零点运动是一种纯粹的量子力学现象，无法用经典理论解释。"物理学家将这种运动模式称为振动模态。虽然双原子或三原子分子的运动模式相对容易追踪，但对于碘吡啶这类由十一个原子组成的中型分子，情况迅速变得复杂。碘吡啶展现了包含27种不同振动模式的完整运动谱系——从芭蕾到探戈直至民间舞。

"这个实验有漫长的历史，"扬克指出，"我们最初在2019年由丽贝卡·博尔领导的欧洲XFEL测量活动中收集了这些数据，当时的目标完全不同。直到两年后，我们才意识到实际观测到的是零点运动的迹象。突破来自于与汉堡自由电子激光科学中心理论物理同事的合作。特别是伯努瓦·里夏尔和卢德格·因赫斯特提出的新型分析方法，将我们的数据解读提升到全新高度。回顾过去，诸多拼图必须完美契合才能实现这一发现。"

分子爆炸揭示结构奥秘

如何捕捉运动粒子的图像？通过库仑爆炸成像技术，超短高强度X射线激光脉冲触发分子发生受控爆炸，从而生成其结构的高分辨率图像。X射线脉冲击出分子中大量电子，导致带正电的原子相互排斥，在万亿分之一秒内飞散。特殊装置记录碎片撞击的时间和位置，据此重建分子原始结构。这套冷靶反冲离子动量谱仪（COLTRIMS）反应显微镜由歌德大学原子物理团队历经数十年研发完善，格雷戈尔·卡斯蒂尔克博士在其博士工作期间专门为欧洲XFEL定制了该设备。卡斯蒂尔克表示："目睹设备产出突破性成果让我倍感自豪，毕竟这需要多年筹备与紧密团队协作。"

量子世界的新认知

该结果为量子现象提供了全新洞见。研究者首次能直接观测更复杂分子中零点运动的复杂模式。这些发现证明了法兰克福研发的COLTRIMS反应显微镜的潜力。"我们持续改进方法，已在规划后续实验，"扬克透露，"我们的目标不仅是观测原子之舞，还要捕捉电子之舞——这种运动速度更快且受原子运动影响。借助该设备，我们将逐步创建分子过程的真实短片，这是曾经难以想象的突破。"