超短、高强度的X射线激光脉冲触发分子的可控爆炸，从而使捕捉分子结构的高分辨率图像成为可能。图片来源：Till Jahnke

本报讯 大多数人觉得量子世界难以捉摸，根据海森堡测不准原理，量子世界就像一场舞蹈，但人们无法同时看清多位舞者在哪里跳舞，以及了解舞者的速度有多快——你必须专注于其中一个。然而，这场量子之舞不是混沌的，而是有严格的编舞。在分子中，这种奇特行为还有另一个结果——即使一个分子在绝对零度下被完全冷冻，它也永远不会真正静止。构成它的原子在所谓“零点能”的驱动下，进行着一场永不停止的、安静的舞蹈。

长期以来，这种零点运动被认为无法直接测量。然而，德国法兰克福大学与合作机构的科学家在全球最大的X射线激光器——德国汉堡的European XFEL上，成功做到了这一点。他们通过将“聚光灯”投射到单个分子上，拍摄其原子的“快照”，从而捕捉到“原子的舞蹈”，揭示了每个原子的精确运动。8月7日，相关研究成果发表于《科学》。

法兰克福大学核物理研究所教授Till Jahnke解释说：“这项工作的激动人心之处在于，我们能够看到原子不仅是单独振动，而且以一种耦合的方式振动，遵循固定的模式。我们首次在单个中等大小的分子上，并且是在其最低能态下，直接测量到了这种行为。这种零点运动是一种纯粹的量子力学现象，无法用经典物理学来解释。”

对于由两三个原子构成的分子，其运动模式相对容易追踪，但对于中等大小的分子，如研究对象、由11个原子组成的碘吡啶，情况就变得复杂了。碘吡啶有27种不同的振动模式（舞蹈）。

“我们最初的数据是在2019年收集的，那次研究有一个完全不同的目标。直到两年后，我们才意识到实际上已发现零点运动的迹象。这一突破来自与德国汉堡自由电子激光科学中心同事的合作，他们提出了新的分析方法，将我们的数据解读提升到了一个全新高度。”Jahnke说，“回想起来，许多拼图必须完美地结合在一起。”

研究人员利用一种名为库仑爆炸成像的技术，通过超短、高强度的X射线激光脉冲触发分子发生可控爆炸，从而生成其结构的高分辨率图像。X射线激光脉冲将大量电子从分子中击出，导致带正电的原子相互排斥，在万亿分之一秒内飞散开来。它们被一种特殊的装置——COLTRIMS反应显微镜记录下来，该装置测量了撞击的时间和位置，从而可以重建分子的原始结构。这台COLTRIMS反应显微镜是由法兰克福大学的原子物理研究组在过去几十年中开发的，研究人员还专门为European XFEL建造了一个定制版本。

这些结果为量子现象提供了全新见解。研究人员首次直接观察到更复杂分子中零点运动的模式。这些发现证明了COLTRIMS反应显微镜的潜力。

“我们正在不断改进方法，并规划下一步的实验。”Jahnke说，“我们的目标是超越‘原子之舞’，进一步观察‘电子之舞’——这是一种速度要快得多的‘舞蹈’，也受到原子运动的影响。借助设备，我们可以逐步创造出分子过程的实时短片——这在过去是难以想象的。”（文乐乐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adu2637