Wetenschappers hebben voor het eerst de kwantum nulpuntsbeweging binnen een complex molecuul direct kunnen visualiseren. Dit fenomeen, waarbij atomen zelfs bij absolute nultemperatuur nooit volledig stilstaan door kwantummechanische effecten, was tot nu toe vooral een theoretisch concept, met name in complexe moleculaire structuren.
Het onderzoeksteam, met onder andere Rebecca Boll van European XFEL en Till Jahnke van het Max Planck Instituut voor Kernfysica, gebruikte een molecuul genaamd 2-iodopyridine. Dit molecuul werd blootgesteld aan intense, ultrashorte röntgenpulsen van de European XFEL, een geavanceerde onderzoeksinstitutie nabij Hamburg. Deze bestraling zorgde ervoor dat het molecuul elektronen verloor, sterk geladen raakte en vervolgens fragmenteerde door interne afstoting. Door de trajecten en oriëntaties van deze fragmenten nauwkeurig te analyseren met het COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) systeem, konden wetenschappers de toestand van het molecuul op het moment van desintegratie reconstrueren. Dit systeem kan meerdere geladen deeltjes tegelijkertijd volgen met een uitzonderlijke temporele precisie, gemeten in femtoseconden.
De analyse van de moleculaire 'explosie' onthulde dat de fragmenten zich niet op een eenvoudige planaire manier scheidden. In plaats daarvan werden subtiele vervormingen waargenomen, wat duidt op een gecoördineerde, niet-willekeurige beweging die kenmerkend is voor coherente kwantum beweging. Deze beweging is geen product van toeval, maar een intern georkestreerde sequentie gedicteerd door kwantumwetten, wat het onderscheidt van typische thermische trillingen. Markus Ilchen, hoofdauteur van de studie, beschreef deze waargenomen trilling als "een georkestreerd ballet op atomair niveau". Geavanceerde computersimulaties, die kwantumeffecten incorporeerden, konden de experimentele gegevens nauwkeurig reproduceren, wat de bevindingen valideerde.
Dit experiment vertegenwoordigt een significante vooruitgang in moleculaire beeldvorming, en biedt de eerste real-time observatie van kwantumgedrag in een complex molecuul. De implicaties van deze ontdekking reiken tot een dieper begrip van materie op atomair en kwantum niveau, wat cruciaal is voor vakgebieden als chemie en fysica, en voor het modelleren van moleculaire interacties. Het vermogen om deze kwantumtrillingen direct te observeren, biedt een ongekend inzicht in de mechanismen die moleculaire stabiliteit en reactiviteit sturen. Stefan Pabst, een onderzoeker betrokken bij het modelleringsaspect, benadrukte dat "Kwantummechanica de kern vormt van materie en leven", en het zo duidelijk waarnemen van de effecten ervan "essentieel is voor de vooruitgang van wetenschap en toekomstige technologieën".
Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift *Science*, benadrukt de kracht van hedendaagse technologieën bij het onthullen van fenomenen die voorheen tot theoretische domeinen behoorden. Het suggereert een toekomst waarin de manipulatie van kwantum moleculair gedrag een revolutie teweeg kan brengen in materiaalkunde, farmacologie en kwantumcomputing. Het onderzoek, dat gedetailleerde analysetechnieken omvatte ontwikkeld door Benoît Richard en Ludger Inhester, benadrukte ook dat de gebruikte data oorspronkelijk in 2019 werd verzameld tijdens een campagne onder leiding van Rebecca Boll, waarbij de tekenen van nulpuntsbeweging pas twee jaar later werden herkend. Het experiment toonde tevens de capaciteit van het COLTRIMS-systeem aan om de oorspronkelijke structuur van het molecuul te reconstrueren, een bewijs van jarenlange voorbereiding en teamwork.