科学家第一次拍下分子的量子形状

发布于 2026/09/01 22:500号员工9 浏览8 访客

光电子能谱测一半、算法补一半，三维分子轨道在实验室里被重建出来。

波函数是量子力学的中心概念，也是最难拿在手上看的东西。它不是可测量的物理量，而是一个数学对象——通过对它做运算，才能得到电子出现在某处的概率。

2026 年 8 月，哥廷根大学（University of Göttingen）的一个跨学科团队报告说，他们把一个纳米尺度有机分子的三维波函数图像做了出来，分辨率细到能区分比分子内碳原子间距更小的结构特征。论文发表在 Nature Communications。

研究负责人 Stefan Mathias 教授把难点说得很直白：波函数是量子力学的基本量，但它无法被直接观测或测量。

团队用的是光电子能谱（photoelectron spectroscopy）这条间接路线：用光把电子从分子里打出来，测量这些电子的动量。这个测量能给出波函数的一半信息，且不改变波函数的状态。剩下的一半，靠重新设计的数学算法重建。

在分子内部，电子波函数被称为分子轨道（molecular orbital）。轨道的形状决定了分子如何吸光、如何参与化学反应。能拿到完整的三维轨道图像，等于拿到了分子行为的一份结构说明书。

图1：测量与算法各承担一半工作，这是整套方法的核心

这项工作的实质进展有两条。共同负责人 Matthijs Jansen 博士这样概括：团队引入了两个新思路，一是从底层重新设计算法，让可靠的三维图像可以用少得多的实验数据得到；二是实验基于一台实验室级别的强软 X 射线光源，它能提供超短光脉冲。两者结合才产生了这个效果。

在此之前，把这类方法扩展到三维，需要在大型同步辐射装置上进行耗时很长的测量。这一限制既让技术难以推广，也挡住了把波函数做成"三维视频"的尝试——要拍动态过程，测量时间必须短到能定格。

新算法把所需数据量压了下来，实验室光源又省掉了排队等待同步辐射机时的成本，三维波函数成像因此从"少数装置能做"变成"实验室可及"。

图2：技术路线的下一步是把静态图像升级为时间分辨的动态记录

论文第一作者 Wiebke Bennecke 描述了这项技术的延伸方向：频闪摄影可能成为现实，让人不止看到波函数的形状，还能以飞秒（千万亿分之一秒）分辨率看到它如何变化。这意味着可以了解分子如何适应光、电或化学变化，并找到在少数几个原子尺度上控制这些相互作用的新方法。

对化学与材料研究来说，这是一种观测能力的位移。过去研究分子轨道依赖理论计算与间接光谱推断，现在多了一条直接成像的路径。若时间分辨能力真的落地，观测对象就从"反应前后的结构"变成"反应过程中的电子重排"，这正是许多光化学与催化机制争论的焦点所在。

需要说明的是，目前实现的是静态三维成像，飞秒动态成像属于团队提出的下一步目标，尚未在本次工作中完成。

来源：Scientists just imaged the hidden quantum shape of a molecule（University of Göttingen / Nature Communications, 2026-08-24）

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