Ученые из Университета Гёте во Франкфурте, в сотрудничестве с Институтом ядерной физики Макса Планка, впервые смогли напрямую запечатлеть квантовое нулевое движение в сложной молекуле. Это новаторское исследование, опубликованное в августе 2025 года, демонстрирует, что даже при температуре абсолютного нуля атомы внутри молекул совершают скоординированные, неслучайные колебания, обусловленные нулевой энергией. Это явление, известное как «вечный танец» атомов, ранее было лишь теоретическим предположением, но теперь получило прямое визуальное подтверждение.
Исследовательская группа под руководством профессора Тиля Янске использовала сверхкороткие и высокоинтенсивные импульсы рентгеновского излучения от Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL). Эти импульсы вызывали контролируемые «взрывы» в молекулах йодопиридина. Анализируя полученные фрагменты молекул с помощью специально разработанного микроскопа для исследования реакций COLTRIMS, ученые смогли реконструировать исходные структуры молекул и зафиксировать тонкие, скоординированные движения атомов. Этот метод, известный как визуализация кулоновского взрыва, позволяет получить изображения молекулярных структур с беспрецедентной четкостью, преодолевая ограничения предыдущих экспериментов, которые были ограничены молекулами, состоящими не более чем из пяти атомов.
Открытие имеет глубокие последствия для понимания фундаментальных аспектов квантовой механики. Оно подтверждает, что атомы в молекулах не вибрируют изолированно, а следуют сложным, взаимосвязанным паттернам, демонстрируя 27 различных колебательных мод в молекуле йодопиридина. Эти результаты открывают новые горизонты для изучения фотохимических реакций и динамики молекулярных процессов.
Команда исследователей уже планирует дальнейшие эксперименты, направленные на наблюдение не только движения атомов, но и динамики электронов, стремясь создавать своего рода «фильмы» о молекулярных процессах. Это достижение не только углубляет наше понимание квантового мира, но и подчеркивает важность междисциплинарного сотрудничества. Разработка специализированного оборудования, такого как микроскоп для исследования реакций COLTRIMS, и применение передовых аналитических методов позволили раскрыть квантовые сигнатуры, скрытые в данных. Исследование, опубликованное в журнале Science, демонстрирует потенциал для дальнейшего развития методов визуализации квантовых флуктуаций, что может привести к новым открытиям в химии и материаловедении.