量子力学一直挑战着一个熟悉的观点，即物体在特定时刻必须占据一个精确的位置。根本粒子如电子不是以简单的方式来描述，而是通过一个称为“波函数”的描述，这是一种数学表示，研究人员可以用来计算位置和动量等特性的概率。在分子内部，电子波函数被称为“分子轨道”。这些轨道包含了关于分子如何行为和与其环境相互作用的宝贵信息，包括它如何吸收光以及化学反应是如何展开的。因此，获得波函数的完整三维图像将为科学家提供强大的分子行为视角，但产生这样的图像一直非常困难。目前，哥廷根大学的一个跨学科团队成功成像了一种只有纳米级大小的有机分子的三维波函数。研究人员通过将先进的光电子光谱技术与复杂的数学算法相结合，实现了这一目标。他们的研究成果已发表在《自然通讯》上。重建难以捉摸的量子波函数“波函数是量子力学中的一个基本量，但它无法直接观察或测量，”哥廷根大学的斯特凡·马蒂亚斯教授解释道。由于波函数本身无法直接测量，研究人员使用了一种称为光电子光谱的间接技术。这种方法测量从分子发射的电子的动量，使科学家能够在不物理改变其状态的情况下获得波函数的一半。然后使用先进的计算机算法重建缺失的另一半。这使团队能够生成完整的分子轨道的图像，并区分比分子内部碳原子之间的距离更小的特征。到目前为止，将这种方法扩展到三维需要在主要的同步辐射研究设施进行漫长的测量。这一要求使该技术难以广泛使用，并为在原子尺度上成像“动态”波函数作为三维视频的努力创造了特别大的障碍。朝向超快分子3D电影的方向，博士生马提斯·扬森（Matthijs Jansen）和研究共同领导人强调了团队方法的原创性：“我们引入了两个强大的新概念。首先，通过从头设计计算机算法，现在可以使用更少的实验数据获得可靠的3D图像。其次，实验基于一种强大的实验室软X射线光源，提供超短的光脉冲。这两种技术的结合产生了显著的影响。”重新设计的算法大幅减少了生成可靠三维图像所需的实验数据量。同时，研究人员可以利用实验室中的强大软X射线光源进行测量，该光源产生极其短的光脉冲。这些进展可能使三维波函数成像变得更加实用。博士生维布克·贝内克（Wiebke Bennecke），研究的第一作者补充道：“这一技术可能意味着闪烁视频技术成为现实，使我们能够不仅观察波函数的形状，还能够看到它如何以超快的，甚至是飞秒（千亿分之一秒）的分辨率变化。这将意味着我们可以了解到分子如何适应光学、电子或化学变化，并找到以几个原子的水平控制这些相互作用的新方法。”如果这种技术能够以这种方式得到扩展，研究人员将能够超越静态图像，观察分子波函数随时间演变的过程。这种观察可能揭示分子对光、电子效应和化学变化在飞秒时间尺度上的反应，从而为科学家们提供理解和控制仅涉及少数原子的相互作用的新方法。