德國法蘭克福歌德大學的物理學家與馬克斯普朗克核物理研究所的合作，首次成功地直接視覺化了複雜分子中的量子零點運動。這項開創性的研究發表於2025年8月，揭示了即使在絕對零度下，分子內的原子也會因零點能量而展現出協調的、非隨機的振動。
由Till Jahnke教授領導的研究團隊，利用歐洲XFEL（X射線自由電子雷射）的超短、高強度X射線雷射脈衝，對碘代吡啶分子進行了受控的「爆炸」實驗。透過分析由此產生的分子碎片，並藉助客製化的COLTRIMS反應顯微鏡，他們得以重構出原始的分子結構，並捕捉到原子之間細微且相關聯的運動模式。這項成就為先前僅能間接推斷的「原子的永恆之舞」提供了直接證據，為理解基礎量子力學和推進光化學反應的研究開闢了新的途徑。
零點能量是量子力學的一個基本概念，它指出即使在絕對零度（-273.15°C）下，系統的能量也不會降至零，而是會保留最低限度的振動能量，即零點能量。這源於海森堡不確定性原理，該原理表明無法同時精確測量粒子的位置和動量，因此粒子即使在最低能量狀態下也無法完全靜止。這種持續的運動被形象地稱為「原子的永恆之舞」。傳統上，這種量子現象的直接觀測極具挑戰性，尤其是在較複雜的分子中，因為原子之間的運動是相互關聯且模式複雜的。
此次研究的關鍵在於使用了歐洲XFEL的尖端技術。歐洲XFEL能夠產生極短且能量極高的X射線脈衝，這些脈衝足以引發分子的「庫侖爆炸」（Coulomb Explosion）。在爆炸過程中，分子中的電子被瞬間剝離，導致原子因帶電而相互排斥，進而將分子分解成碎片。研究團隊利用COLTRIMS反應顯微鏡，這是一種能夠精確測量這些帶電粒子動量的先進儀器，從而能夠重建分子在爆炸前的結構及其原子的運動狀態。碘代吡啶分子，一個由11個原子組成的中等大小分子，在此次實驗中展現了多達27種不同的振動模式，這顯示了原子運動的複雜性與協調性。
這項研究不僅是量子物理學領域的一項重大突破，也為科學家們提供了一個前所未有的視角來觀察微觀世界的動態。它證實了原子在分子中的運動並非孤立的，而是遵循著精確的、相互耦合的模式。這種對原子運動的精確視覺化，有望進一步推動對化學反應機理、材料科學以及量子計算等領域的深入理解，為未來科學探索和技術創新奠定堅實的基礎。研究團隊也表示，未來將進一步精進實驗方法，以期能捕捉到更快速的電子運動，進而製作出更精細的「分子電影」。