高强度X射线激光脉冲触发分子受控“绽放”，定格量子“舞步”的精彩瞬间。图片来源：德国法兰克福大学

在量子世界的微观舞台上，分子内的原子正跳着永不谢幕的“舞蹈”。德国法兰克福大学研究团队利用世界上最强大的X射线激光器——位于德国汉堡的X射线自由电子激光器（XFEL），首次成功捕获分子内部原子在能量最低状态下的“协同舞蹈”，为研究量子现象提供了全新见解。相关成果发表于最新一期《科学》杂志。

即便在接近绝对零度的环境中，分子内部的原子也不会停止运动。这些由量子力学支配的“零点运动”，长期以来被认为是不可观测的量子现象。如今，XFEL打破了这一认知壁垒。

研究团队采用了库仑爆炸成像技术。该技术通过剥离分子中的电子使其发生碎裂，并进一步探测碎片动量以获得分子结构信息。当高强度X射线激光脉冲轰击含11个原子的碘吡啶分子时，分子内部的电子被迅速剥离，分子瞬间“绽放”成多个带电原子碎片。随后，研究团队用自制的冷靶反冲离子动量谱仪精确记录了每个碎片的运动速度、方向和能量分布等信息，由此重建出分子结构的动态影像。

借助这一方法，不仅能看到单个原子的振动，更发现它们遵循特定的模式以耦合方式振动。此外，不同分子内的原子展示出不同的“舞蹈”。对于双原子分子来说，其内部原子的振动如同简单的“双人舞”。而中等分子则演变成复杂的“舞蹈”。观测结果显示，碘吡啶内原子的27种振动模式构成的“量子之舞”，完全颠覆了经典物理学的预测。

研究团队介绍说，电子的“舞步”要快得多，也会受到原子运动的影响，目前，他们正着手升级观测技术以捕捉电子的“舞蹈”。他们希望最终可制作出完整而清晰的分子运动“纪录片”，从而揭开更多量子世界的奥秘。