2025年8月、ゲーテ大学フランクフルト、マックス・プランク核物理学研究所、欧州X線自由電子レーザー（European XFEL）の共同研究チームは、複雑な分子内の原子のゼロ点運動を初めて直接観測することに成功しました。絶対零度でも絶え間なく続く原子の振動であるこの現象は、これまで測定不可能と考えられていました。この研究は11個の原子からなる分子、ヨウ化ピリジンに焦点を当て、European XFELの高強度・超短X線パルスを利用しました。科学者たちは「クーロン爆発イメージング」と呼ばれる技術を採用し、試料を超高強度のX線パルスにさらすことで制御された分子爆発を引き起こしました。その結果生じた断片の分析により、研究者たちは分子の元の構造を再構築し、原子の正確な結合振動パターンを明らかにしました。ティル・ヤンケ教授は、「私たちの研究でエキサイティングなのは、原子が個別に振動するだけでなく、固定されたパターンに従って結合的に振動していることを確認できたことです」と、これらの振動の結合性を強調しています。
この進歩は量子現象に新たな洞察をもたらし、フランクフルトで開発されたCOLTRIMS反応顕微鏡の能力を示しています。この発見は、分子ダイナミクスの理解を深めることで、材料科学や量子コンピューティングなどの分野に影響を与える可能性があります。2019年の測定キャンペーンで収集されたデータから当初は異なる研究目的で利用されていたものが、複雑なデータセットから量子シグネチャを抽出できる新しい解析方法の開発により、今回の成果につながりました。ハンブルクの自由電子レーザー科学センターの理論物理学者との協力も不可欠でした。ヨウ化ピリジン分子は27種類の振動モードを示し、その複雑さから中程度の分子の分析は特に困難ですが、European XFELの比類なきパワーが詳細なイメージングを可能にしました。この技術は、より複雑な分子システムをプローブすることを可能にしたX線レーザー技術の最近の進歩に基づいています。この研究は「Science」誌に掲載され、「複雑な分子の構造における集団的量子ゆらぎのイメージング」と題されています。