Tutkijat paljastavat molekyylien salaisen tanssin kvanttimaailmassa!

Tutkijat paljastavat molekyylien salaisen tanssin kvanttimaailmassa!

8. elokuuta 2025 Frankfurtin Goethen yliopiston tutkijat raportoivat merkittävästä edistymisestä kvanttimekaanisten liikkeiden visualisoinnissa. Osana yhteisprojektia Max Planck Institute for Nuclear Physicsin ja eurooppalaisen XFEL:n kanssa Schenefeldissä lähellä Hampuria he tekivät kvanttimekaanisen nollapisteliikkeen näkyväksi isommissa molekyyleissä ensimmäistä kertaa. Tämä liike tapahtuu jopa absoluuttisessa nollalämpötilassa, mikä tarkoittaa, että molekyylit eivät pysähdy, vaikka ne olisivat alimmassa energiatilassaan.

Ryhmä tutki monimutkaista molekyyliä, 2-jodipyridiiniä (C5H4IN), joka koostuu yhdestätoista atomista. Tulokset julkaistiin tunnetussa Science-lehdessä. Professori Till Jahnke selittää, että molekyylien atomit värähtelevät kytkeytyneesti eivätkä niiden liikkeet ole riippumattomia. Analyysin aikana rekisteröitiin 27 erilaista jodipyridiinin värähtelytilaa.

Coulombin räjähdysmenetelmä

Tutkiakseen näitä kvanttimekaanisia ilmiöitä ryhmä käytti Coulombin räjähdyskuvausta (CEI). Tämän menetelmän avulla röntgenlaserpulssit voivat poistaa elektroneja atomeista, mikä johtaa positiivisesti varautuneeseen ionikonfiguraatioon. Atomiytimet lentää räjähdysmäisesti, mitä kuvataan mikroskooppisena alkuräjähdyksenä. Mittaukset paljastivat, että varautuneita atomeja löytyy klassisen odotetun molekyylitason ulkopuolelta, mikä avasi uusia näkemyksiä kvanttivaihteluista.

Tähän tarkoitukseen käytetty Frankfurtissa kehitetty COLTRIMS-reaktiomikroskooppi mittaa atomijätteen törmäysajat ja -paikat. Tämä mahdollistaa molekyylirakenteen tarkan rekonstruoinnin. Kerätyt tiedot tallennettiin alun perin toisessa kokeessa Euroopan XFEL:ssä vuonna 2019, ja yhteistyö teoreettisten fyysikkojen kanssa on parantanut merkittävästi näiden mittaustietojen tulkintaa.

Näkymät tulevalle tutkimukselle

Näiden tutkimusten tulokset avaavat uusia näkökulmia monimutkaisten kvanttimekaanisten järjestelmien, kuten elektronien liikkeiden tutkimukseen molekyyleissä. Tulevassa hankkeessa, jota rahoitetaan osana liittovaltion ja osavaltioiden huippuosaamisen strategiaa, tavoitteena on tutkia suurempia molekyylejä ja luoda niiden liikkeistä ajallisesti erotettuja elokuvia. Aikaresoluutio saattaa pudota alle femtosekunnin, mikä lupaa merkittäviä edistysaskeleita molekyylifysiikassa ja kemiassa.

Ryhmän tieteelliset saavutukset osoittavat, kuinka tärkeää tieteidenvälinen yhteistyö on nykyaikaisessa tutkimuksessa. Tällaiset edistysaskeleet ovat ratkaisevan tärkeitä syventämään ymmärrystämme molekyylien fysikaalisista perusprosesseista ja siirtämään edelleen kvanttimekaanisen tutkimuksen rajoja. Nämä havainnot, puk.uni-frankfurt.de, cui-advanced.uni-hamburg.de samoin kuin nature.com kattavasti dokumentoitu, edustavat virstanpylvästä kokeellisessa fysiikassa.