In der klassischen Physik gibt es einen absoluten Stillstand: Wenn ein System im energetisch tiefsten Zustand ist, kommt jede Bewegung zum Erliegen. In der Quantenwelt dagegen gilt eine andere Regel. Selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verharren Atome nicht an einem festen Ort, sondern führen unaufhörlich kleinste Bewegungen aus. Der Grund hierfür ist die sogenannte quantenmechanische Nullpunktsenergie. Ein internationales Forschungsteam, darunter HFHF-Wissenschaftler Reinhard Dörner der Goethe-Universität Frankfurt, hat diesen „ewigen Tanz“ nun erstmals in einem komplexeren Molekül direkt sichtbar gemacht. Die Ergebnisse erschienen in Science.
Das Team nutzte den weltgrößten Röntgenlaser, den European XFEL in Schenefeld bei Hamburg, um das Molekül Iodpyridin, bestehend aus elf Atomen, in den Blick zu nehmen. In seiner klassischen Beschreibung wäre das Molekül vollkommen planar, alle Atome lägen in einer Ebene. Doch im Experiment zeigte sich ein anderes Bild: Manche Atomkerne befanden sich außerhalb der erwarteten Ebene – ein klarer Hinweis auf die allgegenwärtigen Quantenfluktuationen. Erstmals konnte zudem das korrelierte Verhalten der Atome nachgewiesen werden: Die Teilchen bewegen sich nicht unabhängig voneinander, sondern in genau abgestimmten Mustern, den sogenannten Vibrationsmoden.
Erreicht wurde dieser Einblick mit einer besonderen Methode, dem „Coulomb Explosion Imaging“. Dabei entreißt ein ultrakurzer, intensiver Röntgenpuls den Atomen viele Elektronen. Zurück bleiben positiv geladene Atomkerne, die sich gegenseitig abstoßen und im Bruchteil einer Billionstel Sekunde auseinanderfliegen – ein kontrolliertes, mikroskopischer Knall. Aus den Flugrichtungen und -geschwindigkeiten der Bruchstücke lässt sich die ursprüngliche Struktur des Moleküls rekonstruieren. Entscheidend für den Erfolg war das in Frankfurt entwickelte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop, das diese Daten mit hoher Präzision aufzeichnet und so eine dreidimensionale Rekonstruktion ermöglicht.
Die Messungen wurden durch detaillierte Simulationen und neue Analysemethoden möglich gemacht, bei denen auch maschinelles Lernen zum Einsatz kam. Diese zeigten, dass nur durch die explizite Berücksichtigung der Nullpunktbewegung die experimentellen Daten korrekt reproduziert werden konnten. Die Forscherinnen und Forscher konnten so nicht nur die Positionen der Atome bestimmen, sondern auch die feinen quantenmechanischen Fluktuationen sichtbar machen – ein Meilenstein für die Molekülphysik.
Die Arbeit eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung komplexer quantenmechanischer Systeme. Die Methode erlaubt nicht nur statische „Schnappschüsse“, sondern bietet künftig die Möglichkeit, zeitaufgelöste Filme über die inneren Bewegungen von Molekülen zu drehen – mit einer zeitlichen Auflösung im Femtosekundenbereich. Damit rückt das Ziel in greifbare Nähe, nicht nur den Tanz der Atomkerne, sondern auch die noch schnellere Choreografie der Elektronen zu erfassen. Was bislang der Theorie vorbehalten war, wird so Schritt für Schritt experimentell zugänglich.