Европейские исследователи совершили прорыв, впервые напрямую визуализировав квантовое движение нулевой точки в сложной молекуле непосредственно перед ее фрагментацией под действием мощного рентгеновского луча. Это достижение открывает новые горизонты в понимании квантовой механики.
Движение нулевой точки, минимальные квантовые вибрации системы, оставалось теоретической концепцией, которую было трудно уловить напрямую, особенно в сложных молекулах. Исследователи использовали молекулу под названием 2-иодпиридин, облучая ее сверхкороткими, интенсивными рентгеновскими импульсами на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL) недалеко от Гамбурга. Этот объект является одним из крупнейших рентгеновских лазеров в мире, способным генерировать 27 000 рентгеновских вспышек в секунду.
Энергия, доставленная импульсами, выбивала электроны из молекулы, сильно заряжая ее и вызывая немедленное отталкивание между ее частями, что приводило к ее распаду на фрагменты. Анализируя траекторию и ориентацию этих фрагментов, ученые смогли реконструировать форму и внутреннее движение молекулы в точный момент ее разрыва. Для детального захвата этого молекулярного взрыва исследователи использовали систему COLTRIMS (спектроскопия импульсов ионов отдачи холодной мишени), способную одновременно отслеживать несколько заряженных частиц с чрезвычайно высокой временной точностью, измеряемой в фемтосекундах.
Эта технология позволила им создать полное трехмерное изображение молекулярной структуры. Оно показало, что фрагменты не разделялись в соответствии с ожидаемой планарной геометрией. Вместо этого они демонстрировали тонкие искажения, указывающие на скоординированное, неслучайное движение, характерное для когерентного квантового движения. Эта вибрация является результатом внутренней координации, обусловленной квантовыми законами, что отличает ее от обычных тепловых вибраций.
«Эта дрожь — не хаос, а оркестрованный балет на атомном уровне», — пояснил Маркус Ильхен, ведущий автор исследования. Это открытие было подтверждено передовыми компьютерными симуляциями, в которых только модели, включающие квантовые эффекты, точно воспроизводили экспериментальные данные. Исследователи из Гёте Университета Франкфурта смогли напрямую визуализировать квантовое движение нулевой точки в молекуле иодпиридина, состоящей из 11 атомов, продемонстрировав, что атомы вибрируют не по отдельности, а скоординированно.
Впервые исследователи могут наблюдать квантовое поведение сложной молекулы в реальном времени, открывая многочисленные возможности для разработки инновационных материалов или лучшего понимания химических процессов в природе. «Квантовая механика лежит в основе материи и жизни», — отметил Штефан Пабст, исследователь, участвовавший в моделировании. «Видеть ее эффекты так ясно не только увлекательно, но и необходимо для продвижения науки и будущих технологий».
Это исследование, опубликованное в журнале *Science*, демонстрирует мощь современных технологий в раскрытии явлений, ранее считавшихся чисто теоретическими. Оно предполагает будущее, в котором контроль и манипулирование квантовым поведением молекул могут революционизировать материаловедение, фармакологию и даже квантовые вычисления.