科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

在量子世界的微觀舞臺(tái)上，分子內(nèi)的原子正跳著永不謝幕的“舞蹈”。德國(guó)法蘭克福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用位于德國(guó)漢堡的X射線自由電子激光器（XFEL）發(fā)出的全球最強(qiáng)X射線激光，首次成功捕獲分子內(nèi)部原子在能量最低狀態(tài)下的“協(xié)同舞蹈”，為研究量子現(xiàn)象提供了全新見(jiàn)解。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《科學(xué)》雜志。

即便在接近絕對(duì)零度的環(huán)境中，分子內(nèi)部的原子也不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。這些由量子力學(xué)支配的“零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)”，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是不可觀測(cè)的量子現(xiàn)象。如今，XFEL打破了這一認(rèn)知壁壘。

研究團(tuán)隊(duì)采用了庫(kù)侖爆炸成像技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)剝離分子中的電子使其發(fā)生碎裂，并進(jìn)一步探測(cè)碎片動(dòng)量以獲得分子結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)高強(qiáng)度X射線脈沖轟擊含11個(gè)原子的碘吡啶分子時(shí)，分子內(nèi)部的電子被迅速剝離，分子瞬間“綻放”成多個(gè)帶電原子碎片。隨后，研究團(tuán)隊(duì)用自制的冷靶反沖離子動(dòng)量譜儀精確記錄了每個(gè)碎片的運(yùn)動(dòng)速度、方向和能量分布等信息，由此重建出分子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影像。

借助這一方法，不僅能看到單個(gè)原子的振動(dòng)，更發(fā)現(xiàn)它們遵循特定的模式以耦合方式振動(dòng)。此外，不同分子內(nèi)的原子展示出不同的“舞蹈”。對(duì)于雙原子分子來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部原子的振動(dòng)如同簡(jiǎn)單的“雙人舞”。而中等分子則演變成復(fù)雜的“舞蹈”。觀測(cè)結(jié)果顯示，碘吡啶內(nèi)原子的27種振動(dòng)模式構(gòu)成的“量子之舞”，完全顛覆了經(jīng)典物理學(xué)的預(yù)測(cè)。

研究團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，電子的“舞步”要快得多，也會(huì)受到原子運(yùn)動(dòng)的影響，目前，他們正著手升級(jí)觀測(cè)技術(shù)以捕捉電子的“舞蹈”。他們希望最終可制作出完整而清晰的分子運(yùn)動(dòng)“紀(jì)錄片”，從而揭開(kāi)更多量子世界的奧秘。