Europejska grupa badawcza dokonała przełomowego odkrycia, bezpośrednio obserwując ruch punktu zerowego – subtelne kwantowe wibracje atomów – w złożonym molekule tuż przed jego fragmentacją pod wpływem silnego promieniowania rentgenowskiego. Zjawisko to, choć teoretycznie znane, stanowiło wyzwanie dla bezpośredniej obserwacji w skomplikowanych strukturach molekularnych.
Badacze użyli molekuły 2-jodopirydyny, którą bombardowali ultrakrótkimi, intensywnymi impulsami promieniowania rentgenowskiego w Europejskim Wolnym Laserze Elektronowym (European XFEL) w pobliżu Hamburga. Wiązka ta wybijała elektrony, silnie ładując molekułę i powodując jej natychmiastowy rozpad. Analizując trajektorie i orientację fragmentów, naukowcy zrekonstruowali kształt molekuły i jej wewnętrzny ruch w momencie rozerwania.
Do uchwycenia tego molekularnego zjawiska z niezwykłą szczegółowością wykorzystano system COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy). Aparatura ta umożliwia jednoczesne śledzenie wielu naładowanych cząstek z precyzją mierzoną w femtosekundach. Pozwoliło to na stworzenie trójwymiarowego obrazu struktury molekularnej w momencie jej rozpadu.
Obserwacje wykazały, że fragmenty nie rozdzielały się zgodnie z oczekiwaną płaską geometrią, lecz wykazywały subtelne zniekształcenia, wskazujące na skoordynowany, nieprzypadkowy ruch. Ten ruch, określany jako spójny ruch kwantowy, jest wewnętrzną koordynacją dyktowaną przez prawa kwantowe, odróżniając go od zwykłych drgań termicznych. Jak wyjaśnił Markus Ilchen, główny autor badania, „To drżenie nie jest chaosem, lecz zorganizowanym baletem w skali atomowej”.
Odkrycie zostało potwierdzone przez zaawansowane symulacje komputerowe, w których jedynie modele uwzględniające efekty kwantowe dokładnie odzwierciedlały dane eksperymentalne. Eksperyment ten stanowi znaczący krok w dziedzinie obrazowania molekularnego, umożliwiając obserwację kwantowego zachowania złożonego molekuły w czasie rzeczywistym. Bezpośrednia obserwacja tych kwantowych wibracji oferuje wgląd w mechanizmy rządzące stabilnością i reaktywnością molekularną, co może być kluczowe dla rozwoju innowacyjnych materiałów i lepszego zrozumienia procesów chemicznych.
Badania, opublikowane w czasopiśmie *Science*, demonstrują potęgę nowoczesnych technologii w ujawnianiu zjawisk dotychczas uważanych za teoretyczne. Sugerują one przyszłość, w której kontrolowanie i manipulowanie kwantowym zachowaniem molekuł może zrewolucjonizować naukę o materiałach, farmakologię i komputery kwantowe. Europejski XFEL, największy na świecie laser rentgenowski, generuje 27 000 błysków na sekundę z jasnością miliard razy większą niż konwencjonalne źródła promieniowania rentgenowskiego.