在物質的微觀世界中，原子從未停止過運動。即使在絕對零度，由於量子現象的影響，它們也會持續振動。最近，一個由歐洲研究人員組成的團隊在複雜分子中直接觀察到了這些肉眼無法察覺的運動，這是在分子被極強的X射線照射而碎裂前的瞬間實現的。
零點運動，即系統的最小量子振動，長期以來一直是一個難以直接捉摸的理論概念，尤其是在複雜分子中。研究人員使用了2-碘吡啶分子，並在歐洲X射線自由電子雷射器（European XFEL）上，以超短、高強度的X射線脈衝轟擊該分子。這次實驗的數據收集於2019年，是Rebecca Boll領導的一項測量活動的一部分，直到兩年後才發現其中蘊含的零點運動跡象。X射線的能量剝離了分子的電子，使其帶上重電荷，並引發了分子各部分之間的排斥力，導致其瞬間崩解成碎片。透過分析這些碎片的軌跡和方向，科學家們能夠重建分子在斷裂瞬間的形狀和內部運動。為了詳細捕捉這種分子爆炸的過程，研究人員採用了COLTRIMS系統（冷目標反衝離子動量光譜學）。該系統能夠以飛秒（百萬兆分之一秒）為單位，極高時間精度地同時追蹤多個帶電粒子。
這項技術使得研究人員能夠創建分子的完整三維圖像。圖像顯示，碎片的分離方式並非預期的平面幾何結構，而是呈現出細微的扭曲，這表明存在一種協調的、非隨機的運動。這種觀察到的運動是量子力學的典型特徵，稱為相干量子運動。這種振動並非偶然產生，而是由量子定律決定的內部協調運動，與普通的熱振動截然不同。研究的首席作者Markus Ilchen解釋說：「這種顫動不是混亂，而是原子尺度上的協調芭蕾。」這一發現得到了先進電腦模擬的證實，其中只有包含量子效應的模型才能準確重現實驗數據。Stefan Pabst博士也強調了量子力學在物質和生命中的核心作用，並指出清晰地觀察其效應不僅令人著迷，對推動科學和未來技術至關重要。
這項發表在《科學》期刊上的實驗，標誌著分子成像領域的一大進步。研究人員首次能夠實時觀察複雜分子的量子行為，這為化學、物理學以及分子相互作用建模等領域開闢了新的可能性。直接觀察這些量子振動為理解分子穩定性和反應性提供了前所未有的視角，這對於開發創新材料或更深入地理解自然界的化學過程具有重要意義。透過提供原子量子芭蕾的獨特視角，這項發現表明，即使在看似靜止的狀態下，物質也處於持續的運動之中，挑戰了我們對世界的經典理解。正是這些看不見的振動，構成了現實世界的重要組成部分，而現代科學最先進的工具正逐步揭開這層神秘的面紗。這項研究也展示了現代技術在揭示先前僅被視為理論現象方面的強大能力，並預示著未來能夠控制和操縱分子量子行為，從而徹底改變材料科學、藥理學乃至量子計算的格局。