Физики раскрыли тайну квантовой дрожи, которая десятилетиями ускользала от эксперимента

Атомы никогда не бывают неподвижными: даже в основном, минимально энергетическом состоянии они совершают крошечные колебания из-за квантовых эффектов . Впервые эту дрожь удалось напрямую зафиксировать у сложной молекулы — буквально за мгновения до того, как та распалась под ударом мощного рентгеновского импульса.

Эксперимент прошёл на Европейском лазере на свободных электронах XFEL под Гамбургом. В мишень — молекулу 2-иодопиридина — направили сверхкороткие и предельно интенсивные рентгеновские вспышки. Энергия выбила электроны, превратив исходное соединение в сильно заряженную систему, где атомы начали взаимно отталкиваться. Этот процесс занял считаные фемтосекунды: электрическое отталкивание разорвало связи, и фрагменты молекулы разлетелись в стороны.

Чтобы восстановить момент разрушения, исследователи использовали реакционный микроскоп COLTRIMS. Он отслеживает траектории заряженных частиц с временным разрешением порядка квадриллионной доли секунды и способен одновременно регистрировать несколько фрагментов. По направлениям и скоростям разлёта можно собрать трёхмерную картину — как выглядела молекула и как двигались её атомы прямо перед распадом.

Полученные данные показали, что разлёт обломков не соответствует идеально плоской геометрии, которой учёные ожидали от этой молекулы. Вместо этого траектории выдавали лёгкие смещения — отпечаток внутреннего движения, «замороженного» в момент разрушения. Речь идёт о так называемой нулевой колебательной энергии: минимальной возможной подвижности, которая сохраняется даже при абсолютном нуле. В отличие от хаотичных тепловых колебаний, эта дрожь была согласованной — атомы смещались с определённой фазой, что характерно для когерентного квантового движения.

Чтобы проверить выводы, команда сравнила результаты с расчётами. Модели, построенные только на классической физике, не смогли воспроизвести картину. Совпадение с экспериментом появилось лишь тогда, когда в симуляции учли квантовые эффекты. Дополнительно применили статистический метод реконструкции: поскольку в каждом событии не удавалось измерить абсолютно все фрагменты, алгоритм восстанавливал полную структуру и динамику по неполному набору данных. Такой подход дал целостное изображение, несмотря на физические ограничения измерений.

Этот опыт стал редкой возможностью увидеть, как квантовая механика проявляется напрямую в поведении сложной молекулы. Он даёт новое понимание того, как вещество ведёт себя на субатомных масштабах, и закладывает базу для будущих исследований в химии, физике и моделировании квантовых систем. Работа показала: с помощью мощных рентгеновских лазеров можно не только «снимать фильмы» о химических реакциях, но и фиксировать фундаментальные флуктуации материи, которые обычно скрыты от глаз.