Физики впервые засняли «квантовый танец» атомов в сложных молекулах

Сверхкороткие импульсы рентгеновского лазера высокой интенсивности вызывают контролируемые «взрывы» молекул, позволяя получать их изображения с высоким разрешением. Автор: Тилль Янке / Университет Гёте во Франкфурте

Большинству из нас сложно представить квантовый мир. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, это похоже на наблюдение за танцем, где невозможно одновременно точно определить положение и скорость движения танцора — приходится выбирать, на чём сосредоточиться.

Однако этот «квантовый танец» далёк от хаоса — у частиц есть строгая хореография. В молекулах это приводит к удивительному эффекту: даже при абсолютном нуле они никогда не замирают полностью. Атомы продолжают бесконечное движение, вызванное так называемой нулевой энергией.

Первое прямое измерение согласованного движения атомов

Долгое время считалось, что такие колебания невозможно измерить напрямую. Но учёные из Университета Гёте во Франкфурте и их коллеги добились этого на крупнейшем в мире рентгеновском лазере European XFEL в Гамбурге.

Им удалось запечатлеть «танец атомов», подсвечивая отдельные молекулы и делая снимки их структуры — раскрывая точную хореографию каждого атома.

«Самое захватывающее в нашей работе — мы увидели, что атомы вибрируют не по отдельности, а согласованно, следуя чётким паттернам», — объясняет профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Университета Гёте.

Физики называют эти паттерны колебательными модами. Если в молекулах из 2-3 атомов их легко отследить, то в более сложных структурах, как изученное йодопиридиновое соединение (11 атомов), возникает 27 различных режимов колебаний — от «балета» до «танго».

«Взрыв» раскрывает структуру

Как же заснять движение частиц? Метод «кулоновского взрывного изображения» (Coulomb Explosion Imaging) использует сверхкороткие импульсы рентгеновского лазера, вызывающие контролируемый «взрыв» молекулы. Это позволяет получить детальные снимки её структуры.

Импульс выбивает электроны, оставляя положительно заряженные атомы, которые отталкиваются и разлетаются за триллионные доли секунды. Специальный детектор фиксирует их траектории, восстанавливая исходную структуру.

«Видеть такие прорывные результаты после лет подготовки — это особая гордость», — отмечает доктор Грегор Кастирке, разработавший модификацию детектора COLTRIMS для European XFEL.

Новые горизонты квантовой физики

Исследование открывает новые возможности для изучения квантовых явлений. Впервые удалось напрямую наблюдать сложные паттерны нулевых колебаний в молекулах. Учёные планируют усовершенствовать метод, чтобы в будущем снимать «короткометражки» молекулярных процессов.

Подробнее: Benoît Richard et al, Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu2637