По законам квантовой физики абсолютная неподвижность невозможна. Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает одновременно точно знать положение и импульс частицы. Если бы атом вдруг замер, ученые знали бы и то, и другое с недопустимой точностью. Поэтому даже в состоянии минимальной энергии атомы продолжают едва заметно колебаться.

Увидеть такие микроскопические движения в сложных молекулах трудно. Каждый атом может смещаться в своем направлении и с разной амплитудой. До сих пор эта «квантовая дрожь» оставалась недосягаемой для прямого наблюдения.

Международная команда физиков под руководством Тилля Янке (Till Jahnke) провела беспрецедентный эксперимент на European XFEL — крупнейшем в мире рентгеновском лазере на свободных электронах, расположенном в Германии. Ученые изучили молекулу, состоящую из одиннадцати атомов углерода, водорода, азота и йода.

Статья по теме: Эксперимент с фотонами поставил под вопрос роль запутанности в квантовой физике

Сверхмощный рентгеновский лазер облучал исследуемые молекулы короткими и яркими импульсами рентгеновского излучения. Длительность каждого импульса составляла лишь несколько фемтосекунд — это квадриллионная доля секунды, 0,000000000000001 с (1·10⁻¹⁵ секунды). Но главное — яркость этих вспышек превосходила яркость рентгеновских лучей, используемых в медицинской диагностике, в миллион миллиардов раз (10^15).

Такая экстремальная мощность не прошла для молекул бесследно. Каждый рентгеновский импульс буквально выбивал электроны из атомов молекулы. Лишившись электронных оболочек, атомы становились положительно заряженными — превращались в ионы. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, атомы мгновенно разлетались друг от друга в миниатюрном взрыве — этот процесс называют кулоновским взрывом.

Именно этот «разлет» и стал источником информации для ученых. Детекторы с высокой точностью фиксировали траектории и скорости разлетающихся «атомных осколков» после каждого кулоновского взрыва. Тщательно анализируя эти данные, используя сложные алгоритмы реконструкции, исследователи смогли сделать невероятное: они «заглянули» в момент перед взрывом и восстановили картину исходных квантовых флуктуаций атомов в их невозбужденном основном состоянии. Уровень детализации этого восстановления не имеет аналогов.

Анализ показал удивительную вещь. Крошечные колебания атомов, вызванные принципом неопределенности Гейзенберга, оказались не хаотичными. Они напоминали слаженный танец. Движения отдельных атомов в молекуле были синхронными. 

Статья по теме: На БАК обнаружили самое тяжелое ядро антиматерии

Авторы научной работы пояснили, что сама возможность такой синхронности вытекает из структуры молекулы и ее химических связей. Теория предсказывала подобное поведение. Однако ученые были искренне поражены тем, насколько четко и детально им удалось это синхронное движение измерить экспериментально. 

Результаты этого исследования — не просто демонстрация виртуозного владения сверхсовременной лазерной технологией. Они предоставят физикам беспрецедентно детализированную картину фундаментального квантового явления в действии, внутри реальной многоатомной системы. Наблюдение синхронного «квантового танца» атомов открывает новые горизонты для понимания поведения молекул на самом глубинном уровне.

Команда Янке уже строит планы на будущее. Следующая цель — исследовать, как именно квантовые флуктуации влияют на ход химических реакций, когда молекулы взаимодействуют и преобразуются. Другое перспективное направление — адаптировать метод для изучения квантовых колебаний не ядер, а электронов, которые играют ключевую роль в химических связях. 

Научная работа опубликована в журнале Science.