科学家首次捕捉到原子神秘的量子涨落现象

相关零点运动的首次直接测量

长期以来，这类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其合作机构的研究人员如今在位于德国汉堡的全球最大X射线激光装置——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："我们研究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等尺度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模式称为振动模式。虽然双原子或三原子分子的运动模式相对易于追踪，但对于碘吡啶这种由十一个原子组成的中等尺度分子，其振动模式就变得极为复杂。碘吡啶展现出多达27种不同的振动模式——从芭蕾到探戈再到民族舞，构成了完整的运动谱系。

"该实验历经漫长过程，"扬克表示，"2019年由丽贝卡·博尔在欧洲XFEL领导的测量活动中，我们最初采集这些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。突破性进展源于与汉堡自由电子激光科学中心理论物理学家的合作——特别是贝努瓦·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。回溯整个过程，诸多关键要素实现了完美契合。"

爆炸揭示分子结构

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射线激光脉冲诱导分子发生受控爆炸，从而生成高分辨率结构图像。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解体。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COLTRIMS反应显微镜由歌德大学原子物理团队历经数十年研发而成，格雷戈尔·卡斯提克博士在其博士期间专门为欧洲XFEL定制了适配版本。卡斯提克表示："目睹设备产出突破性成果令人倍感自豪——这源于多年筹备与团队的紧密协作。"

量子世界的新认知

该成果为量子现象研究开辟全新视野：研究者首次直接观测到更复杂分子中零点运动的复杂模式。这些发现印证了法兰克福研发的COLTRIMS反应显微镜的潜力。"我们持续优化方法，已规划后续实验，"扬克表示，"目标是超越原子之舞，进一步观测电子之舞——这种运动速度更快，且受原子运动影响。借助该设备，我们将逐步构建分子过程的真实短片，这曾是难以想象的突破。"