Forskare avslöjar den hemliga dansen av molekyler i kvantvärlden!

Forskare avslöjar den hemliga dansen av molekyler i kvantvärlden!

Den 8 augusti 2025 kommer forskare vid Goethe University Frankfurt att rapportera betydande framsteg i visualiseringen av kvantmekaniska rörelser. Som en del av ett gemensamt projekt med Max Planck Institute for Nuclear Physics och European XFEL i Schenefeld nära Hamburg gjorde de kvantmekanisk nollpunktsrörelse synlig i större molekyler för första gången. Denna rörelse sker även vid absolut noll temperatur, vilket innebär att molekyler inte kommer till vila även när de är i sitt lägsta energitillstånd.

Teamet undersökte en komplex molekyl, 2-jodpyridin (C5H4IN), som består av elva atomer. Resultaten publicerades i den välrenommerade tidskriften "Science". Prof. Till Jahnke förklarar att atomer i molekyler vibrerar på ett kopplat sätt och att deras rörelser inte är oberoende. Under analysen registrerades 27 olika vibrationssätt av jodpyridin.

Coulomb explosionsmetod

För att studera dessa kvantmekaniska fenomen använde teamet Coulomb explosion imaging (CEI). Denna metod tillåter röntgenlaserpulser att avlägsna elektroner från atomer, vilket resulterar i en positivt laddad jonkonfiguration. Atomkärnorna flyger isär explosivt, vilket beskrivs som en mikroskopisk Big Bang. Mätningarna visade att laddade atomer kan hittas utanför den klassiskt förväntade molekylära nivån, vilket öppnade för nya insikter om kvantfluktuationer.

COLTRIMS-reaktionsmikroskopet som används för detta ändamål, som utvecklades i Frankfurt, mäter tidpunkterna och platserna för nedslaget av atomskräpet. Detta möjliggör en exakt rekonstruktion av molekylstrukturen. De insamlade uppgifterna registrerades ursprungligen i ett annat experiment vid Europeiska XFEL 2019 och samarbete med teoretiska fysiker har avsevärt förbättrat tolkningen av dessa mätdata.

Utsikter för framtida forskning

Resultaten av dessa studier öppnar nya perspektiv för studiet av komplexa kvantmekaniska system, såsom elektronernas rörelser i molekyler. Ett framtida projekt, finansierat som en del av den federala och statliga excellensstrategin, syftar till att studera större molekyler och skapa tidsupplösta filmer av deras rörelser. Tidsupplösningen kan falla under en femtosekund, vilket lovar betydande framsteg inom molekylär fysik och kemi.

Teamets vetenskapliga prestationer illustrerar hur viktigt tvärvetenskapligt samarbete är i modern forskning. Framsteg som dessa är avgörande för att fördjupa vår förståelse av de grundläggande fysikaliska processerna i molekyler och för att ytterligare tänja på gränserna för kvantmekanisk forskning. Dessa fynd, den puk.uni-frankfurt.de, cui-advanced.uni-hamburg.de liksom nature.com omfattande dokumenterade, representerar en milstolpe inom experimentell fysik.