科学家首次捕捉到原子运动的隐秘量子舞蹈现象

相关零点运动的首次直接测量

长期以来，这类模式化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位于德国汉堡的全球最大X射线激光器——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，捕捉到了"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："我们工作的突破性在于发现原子并非独立振动，而是遵循固定模式进行耦合振动。这是首次在处于最低能态的单个中型分子中直接观测到该行为。这种零点运动是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称为振动模式而非舞蹈编排。虽然双原子或三原子分子的运动模式相对容易追踪，但像本研究涉及的含11个原子的碘代吡啶这类中型分子，其运动模式会迅速变得复杂。碘代吡啶具有包括从芭蕾到探戈乃至民间舞蹈在内的全套27种不同振动模式。

扬克表示："这项实验历经漫长探索。我们最初在2019年由丽贝卡·博尔领导的欧洲XFEL测量活动中收集数据时，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。突破性进展源自与汉堡自由电子激光科学中心理论物理学同事的合作。特别是伯努瓦·理查德和卢德格·因赫斯特提出的新型分析方法，将我们的数据解读能力提升到全新高度。回顾来看，众多关键要素必须完美契合。"

分子爆炸揭示结构奥秘

如何捕捉运动粒子的影像？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。专用装置记录碎片撞击时间和位置，据此重建分子原始结构。这套由歌德大学原子物理团队历经数十年研发的COLTRIMS反应显微镜，其欧洲XFEL专用版本由格雷戈尔·卡斯蒂尔克博士在攻读博士学位期间建造。卡斯蒂尔克表示："目睹设备产出突破性成果令人倍感自豪，毕竟这需要经年累月的准备和紧密团队协作。"

量子世界的新认知

该成果为量子现象提供了全新见解。研究人员首次直接观测到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。扬克表示："我们持续改进方法，已在规划后续实验。目标是超越原子之舞，进一步观测比原子运动更快且受其影响的电子之舞。借助这套设备，我们将逐步构建分子过程的实时短片——这曾是难以想象的突破。"