Wetenschappers onthullen de geheime dans van moleculen in het kwantumrijk!

Wetenschappers onthullen de geheime dans van moleculen in het kwantumrijk!

Op 8 augustus 2025 zullen onderzoekers van de Goethe Universiteit Frankfurt melding maken van aanzienlijke vooruitgang in de visualisatie van kwantummechanische bewegingen. Als onderdeel van een gezamenlijk project met het Max Planck Instituut voor Kernfysica en het Europese XFEL in Schenefeld bij Hamburg maakten ze voor het eerst kwantummechanische nulpuntsbeweging zichtbaar in grotere moleculen. Deze beweging vindt zelfs plaats bij een temperatuur van het absolute nulpunt, wat betekent dat moleculen niet tot rust komen, zelfs niet als ze zich in hun laagste energetische toestand bevinden.

Het team onderzocht een complex molecuul, 2-joodpyridine (C5H4IN), dat uit elf atomen bestaat. De resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift ‘Science’. Prof. Till Jahnke legt uit dat atomen in moleculen op een gekoppelde manier trillen en dat hun bewegingen niet onafhankelijk zijn. Tijdens de analyse werden 27 verschillende trillingsmodi van jodopyridine geregistreerd.

Coulomb-explosiemethode

Om deze kwantummechanische verschijnselen te bestuderen, gebruikte het team Coulomb-explosiebeeldvorming (CEI). Met deze methode kunnen röntgenlaserpulsen elektronen uit atomen verwijderen, wat resulteert in een positief geladen ionenconfiguratie. De atoomkernen vliegen explosief uit elkaar, wat wordt beschreven als een microscopische oerknal. Uit de metingen bleek dat geladen atomen buiten het klassiek verwachte moleculaire niveau te vinden zijn, wat nieuwe inzichten opende in kwantumfluctuaties.

De hiervoor gebruikte COLTRIMS-reactiemicroscoop, ontwikkeld in Frankfurt, meet de tijdstippen en locaties van de inslag van het atoompuin. Dit maakt een exacte reconstructie van de moleculaire structuur mogelijk. De verzamelde gegevens zijn oorspronkelijk vastgelegd in een ander experiment bij de Europese XFEL in 2019 en samenwerking met theoretische natuurkundigen heeft de interpretatie van deze meetgegevens aanzienlijk verbeterd.

Vooruitzichten voor toekomstig onderzoek

De resultaten van deze onderzoeken openen nieuwe perspectieven voor de studie van complexe kwantummechanische systemen, zoals de bewegingen van elektronen in moleculen. Een toekomstig project, gefinancierd als onderdeel van de federale en staatsexcellentiestrategie, heeft tot doel grotere moleculen te bestuderen en in de tijd opgeloste films van hun bewegingen te maken. De tijdresolutie zou onder een femtoseconde kunnen dalen, wat aanzienlijke vooruitgang in de moleculaire fysica en scheikunde belooft.

De wetenschappelijke prestaties van het team illustreren hoe belangrijk interdisciplinaire samenwerking is in modern onderzoek. Dit soort vooruitgang is cruciaal om ons begrip van de fundamentele fysische processen in moleculen te verdiepen en de grenzen van kwantummechanisch onderzoek verder te verleggen. Deze bevindingen, de puk.uni-frankfurt.de, cui-advanced.uni-hamburg.de evenals natuur.com uitvoerig gedocumenteerd, vertegenwoordigen een mijlpaal in de experimentele natuurkunde.