Ein internationales Forscherteam hat erstmals die Quanten-Nullpunktbewegung in einem komplexen Molekül direkt beobachtet. Die Wissenschaftler nutzten den European X-ray Free Electron Laser (European XFEL) in der Nähe von Hamburg, um das Molekül 2-Iodpyridin mit ultrakurzen Röntgenpulsen zu beschießen. Diese Pulse lösten Elektronen aus dem Molekül, was zu dessen Zerfall führte.
Durch die Analyse der Flugbahnen und Ausrichtungen der entstehenden Fragmente mittels des COLTRIMS-Systems (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) konnten die Forscher die innere Bewegung des Moleküls zum Zeitpunkt seines Bruchs rekonstruieren. Das COLTRIMS-System ermöglicht die gleichzeitige Verfolgung mehrerer geladener Teilchen mit extremer zeitlicher Präzision im Femtosekundenbereich.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Molekülfragmente nicht planar trennten, sondern subtile Verzerrungen aufwiesen, die auf eine koordinierte, nicht-zufällige Bewegung hindeuteten. Diese als kohärente Quantenbewegung bezeichnete Bewegung ist ein rein quantenmechanisches Phänomen und unterscheidet sich von gewöhnlichen thermischen Schwingungen. Markus Ilchen, Hauptautor der Studie, beschrieb diese Bewegung als ein "orchestrierte Ballett auf atomarer Ebene".
Die experimentellen Daten wurden durch fortschrittliche Computersimulationen bestätigt, die nur Modelle mit einbezogenen Quanteneffekten exakt reproduzieren konnten. Ein von Benoît Richard entwickeltes statistisches Analyseverfahren half dabei, auch aus fragmentarischen Datensätzen die vollständige Impulsverteilung des Moleküls zu rekonstruieren.
Diese Forschung, veröffentlicht in der Fachzeitschrift *Science*, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der molekularen Bildgebung dar und eröffnet neue Möglichkeiten zum Verständnis des grundlegenden Verhaltens von Materie auf atomarer und quantenmechanischer Ebene. Die direkte Beobachtung von Quantenvibrationen könnte für die Entwicklung neuer Materialien und das Verständnis chemischer Prozesse von Nutzen sein.