研究揭示甲酸分子於量子層面展現動態手性

一項於2026年1月發表於《物理評論快報》的研究，挑戰了化學界對甲酸（HCOOH）分子結構的傳統認知。傳統觀點視甲酸為完全平面的分子結構，然而，最新的高精度測量結果顯示，由於原子間持續的微小量子振動，該分子在絕大多數瞬間呈現出動態的三維結構，從而失去了其原有的對稱性。此發現的核心在於，分子幾何形狀的定義在量子層面應被視為一個動態事件，而非靜態屬性，平面結構僅是所有方向振動的隨時間平均結果。

該實驗數據的採集地點位於德國漢堡的DESY加速器中心PETRA III同步輻射光源設施的P04光束線。研究人員利用X射線束引發光電效應和奧傑效應，導致分子發生庫侖爆炸，隨後使用歌德大學發明的COLTRIMS反應顯微鏡進行了符合測量，以計算分子原有的幾何構型。關鍵數據揭示，甲酸的兩個氫原子會發生極微小的擺動，使得分子在幾乎每一瞬間都呈現出手性（非鏡像對稱）的構型。這種手性現象，即平均而言為非手性，但在單一分子層面觀察到手性，被歸因於質子零點離域化，理論上適用於所有前手性分子。

領導此項研究的團隊成員包括來自歌德大學法蘭克福核物理研究所的萊因哈德·多納教授（Prof. Dr. Reinhard Dörner），他是COLTRIMS測量方法的共同創始人之一。合作機構涵蓋了歌德大學法蘭克福、卡塞爾大學、馬爾堡大學、內華達大學、弗里茨·哈伯研究所及馬克斯·普朗克核物理研究所等學術機構。研究中採用的COLTRIMS技術，被譽為「動量顯微鏡」，能夠以極高解析度與近乎4π的立體角，同步記錄分子碎裂過程中發射出的所有帶電碎片（電子和離子）的動量向量，這對於捕捉僅在飛秒時間尺度內發生的過程至關重要。

此項研究的學術意義在於，它挑戰了化學領域中長期以來將甲酸視為完美平面分子的基本假設，並將分子幾何的理解從理想化的靜態模型推向了量子動態的現實。傳統上，分子結構常被描繪為原子被剛性連桿連接的固定位置，而甲酸是平面分子的經典範例，這與量子物理學揭示的原子核永不靜止的本質相悖。此外，本研究展示了手性可以由量子效應（零點振動）動態地誘發出來，這對於理解生物學中不對稱性的起源具有更廣泛的啟示。

實驗中，研究人員透過電離分子的碳1s電子殼層，並將光電子與帶正電的碎片訊號進行符合測量，從而獲得對分子結構的兩次連續測量：一次透過光電子繞射成像，另一次透過庫侖爆炸成像。令人關注的是，這兩次測量均顯示出該特定分子的相同手性，直接證明了在測量瞬間，即使處於平面平衡的振動基態，甲酸分子也表現出三維的手性結構。這種「瞬時手性」的概念，強調了這種不對稱性是存在於時間不變的基態中的量子特性，標誌著在利用先進實驗物理技術精確測量瞬時分子幾何方面取得了實質性的突破。