大多數(shù)人覺得量子世界難以捉摸：根據(jù)海森堡的不確定性原理，這就像觀看一場舞蹈，卻無法同時看清舞者在哪里跳舞以及移動的速度有多快——你必須專注于其中一個。然而，這場量子之舞不是混沌的，舞者遵循著嚴格的編舞。在分子中，這種奇特行為還有另一個后果——即使一個分子在絕對零度下被完全冷凍，它也永遠不會真正靜止。構成它的原子在所謂“零點能”的驅動下，進行著一場永不停止的、安靜的舞蹈。
超短、高強度的X射線激光脈沖觸發(fā)分子的可控爆炸，從而使捕捉分子結構的高分辨率圖像成為可能。圖片來源：Till Jahnke
長期以來，這種零點運動被認為無法直接測量。然而，德國法蘭克福大學與合作機構的科學家現(xiàn)在在世界上最大的X射線激光器——位于德國漢堡的European XFEL上，成功地做到了這一點。他們通過將“聚光燈”投射到單個分子上，并拍攝其原子的“快照”，從而捕捉到“原子的舞蹈”，揭示了每個原子的精確舞蹈。8月7日，相關研究成果發(fā)表于《科學》。
法蘭克福大學核物理研究所教授Till Jahnke解釋說：“這項工作的激動人心之處在于，我們能夠看到原子不僅是單獨振動，而且以一種耦合的方式振動，遵循固定的模式。我們首次在單個中等大小的分子上，并且是在其最低能態(tài)下，直接測量到了這種行為。這種零點運動是一種純粹的量子力學現(xiàn)象，無法用經(jīng)典物理學來解釋。”
對于由兩三個原子構成的分子，其運動模式還相對容易追蹤，但對于中等大小的分子，如研究對象、由11個原子組成的碘吡啶，情況就變得復雜了。碘吡啶有27種不同的振動模式（舞蹈）。
“我們最初的數(shù)據(jù)是在2019年收集的，那次研究有一個完全不同的目標。直到兩年后，我們才意識到我們實際上看到了零點運動的跡象。這一突破來自于與德國漢堡自由電子激光科學中心同事的合作，他們提出了新的分析方法，將我們的數(shù)據(jù)解讀提升到了一個全新的水平。“Jahnke說，”回想起來，許多拼圖必須完美地結合在一起。”
研究人員利用一種名為庫侖爆炸成像的技術，通過超短、高強度的X射線激光脈沖觸發(fā)分子發(fā)生可控爆炸，從而生成其結構的高分辨率圖像。X射線脈沖將大量電子從分子中擊出，導致帶正電的原子相互排斥，在萬億分之一秒內飛散開來。它們被一個特殊的裝置——COLTRIMS反應顯微鏡記錄下來，該裝置測量了撞擊的時間和位置，從而可以重建分子的原始結構。 這臺COLTRIMS反應顯微鏡是由法蘭克福大學的原子物理研究組在過去幾十年中開發(fā)的，研究人員還專門為European XFEL建造了一個定制版本。
這些結果為量子現(xiàn)象提供了全新見解。研究人員首次直接觀察到更復雜分子中零點運動的復雜模式。這些發(fā)現(xiàn)證明了COLTRIMS反應顯微鏡的潛力。
“我們正在不斷改進方法，并且已經(jīng)在規(guī)劃下一步的實驗。”Jahnke說，“我們的目標是超越‘原子之舞’，進一步觀察‘電子之舞’——這是一種速度要快得多的‘舞蹈’，也受到原子運動的影響。借助設備，我們可以逐步創(chuàng)造出分子過程的實時短片——這在過去是難以想象的。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adu2637
本文鏈接：科學家首次捕捉到原子的秘密量子之舞http://www.sq15.cn/show-11-24691-0.html
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