物質の根幹をなす原子は、絶対零度という理論上の最低温度でさえ、量子現象により決して静止することはありません。欧州の研究者チームは、強力なX線ビームを用いて、複雑な分子が破壊される直前の、分子内の見えない動きであるゼロ点運動を直接観測することに成功しました。これは、特に複雑な分子においては捉えることが困難な理論的概念でした。
研究者たちは、ハンブルク近郊の欧州X線自由電子レーザー（European XFEL）で、2-ヨードピリジンという分子を超短時間かつ高強度のX線パルスで照射しました。このエネルギー照射により分子から電子が剥ぎ取られ、分子は重度に帯電し、構成部分間の反発を引き起こして断片化しました。これらの断片の軌道と配向を分析することで、科学者たちは分子が破断した瞬間の形状と内部運動を再構築しました。この分子爆発を詳細に捉えるため、フェムト秒単位で測定される高い時間精度を持つCOLTRIMS（Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy）システムが採用されました。
この技術により、分子構造の完全な3次元画像を生成することが可能になりました。その結果、断片は予想される平面幾何学に従って分離するのではなく、協調的で非ランダムな運動の兆候を示す微妙な歪みを示しました。観測された運動は量子力学の特徴である「コヒーレント量子運動」として知られる現象であり、通常の熱振動とは一線を画します。研究の主著者であるマルクス・イルヘン氏は、「この振動は混沌ではなく、原子スケールでの組織化されたバレエです」と説明しました。この発見は、量子効果を組み込んだモデルのみが実験データを正確に再現できた高度なコンピュータシミュレーションによっても裏付けられています。
この実験は、分子イメージングにおける重要な一歩であり、初めて研究者が複雑な分子の量子挙動をリアルタイムで観測できるようになりました。この発見は、原子および量子スケールでの物質の基本的な振る舞いに新たな光を当て、化学、物理学、そして分子相互作用のモデリングにおいて重要な分野となります。これらの量子振動を直接観測することは、分子の安定性と反応性を支配するメカニズムへの前例のない窓を提供し、革新的な材料の開発や自然界の化学プロセスの理解を深めるのに役立つ可能性があります。
モデリングに関わったステファン・パブスト氏は、「量子力学は物質と生命の中心です。その効果をこれほど明確に見ることは、科学を進歩させ、将来の技術を開発する上で、単に魅力的であるだけでなく不可欠です」と述べています。科学誌『サイエンス』に掲載されたこの研究は、これまで理論的なものと考えられていた現象を明らかにする現代技術の力を示しています。分子の量子挙動を制御および操作することが、材料科学、薬学、さらには量子コンピューティングに革命をもたらす可能性のある未来を示唆しています。
この研究は、2019年の測定キャンペーン中に欧州XFELで収集されたデータに基づいています。当初は別の目的で実施されたものでしたが、後にゼロ点運動の兆候を捉えていることが判明しました。この成果は、ハンブルク大学のマルクス・イルヘン氏や、以前は欧州X線自由電子レーザー施設（European XFEL）のセンター・フォー・フリー・エレクトロン・レーザー・サイエンスに所属していたステファン・パブスト氏などの研究者たちの長年の努力と協力によるものです。COLTRIMS反応顕微鏡の開発は、この種の実験を可能にする上で極めて重要でした。