科学家首次捕捉到原子神秘的量子运动

首次直接测量关联零点运动

长期以来，这类有规律的零点运动被认为无法直接测量。然而，法兰克福歌德大学与合作机构的研究人员如今在汉堡欧洲XFEL——全球最大的X射线激光器上成功实现了这一目标。他们通过用"聚光灯"照射单个分子并拍摄其原子快照，捕捉到了"原子的舞蹈"，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与海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的Till Jahnke教授解释道："我们工作的激动之处在于发现原子并非单独振动，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寸分子中直接测量到这种行为。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，但对于中等尺寸分子（如研究的11原子碘吡啶）而言，其运动模式会迅速变得复杂。碘吡啶具有27种不同的振动模态——从芭蕾到探戈再到民族舞，构成了一整套"舞蹈动作"。

"这个实验有着漫长的历史，"Jahnke说，"我们最初在2019年由Rebecca Boll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，我们才意识到实际上观测到了零点运动的迹象。突破来自于与汉堡自由电子激光科学中心理论物理学家的合作，特别是Benoît Richard和Ludger Inhester提出的新分析方法，将我们的数据解读提升到了全新水平。回顾来看，许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的多个电子，导致带正电的原子相互排斥，在万亿分之一秒内飞散。特殊装置记录这些碎片撞击的时间和位置，从而重建分子原始结构。这种COLTRIMS反应显微镜由歌德大学原子物理团队历经数十年研发，Gregor Kastirke博士在读博期间专门为欧洲XFEL定制了改进版本。Kastirke表示："见证这些突破性成果让我感到些许自豪，毕竟它们需要多年准备和紧密团队合作才能实现。"

量子世界的新认知

该研究为量子现象提供了全新见解。研究人员首次能直接观察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，已在规划下一步实验，"Jahnke表示，"目标是超越原子舞蹈，进一步观测电子舞蹈——这种运动速度更快且受原子运动影响。借助我们的设备，可以逐步制作分子过程的真实短片，这在过去是不可想象的。"