2026年8月4日——量子力学中最著名且最引人入胜的发现之一是，电子等基本粒子无法被确定在单一位置。相反，粒子由其“波函数”来描述，研究人员可据此推导出基本属性（如位置和动量）的概率分布——一种展示各种可能性的数学图谱。特别是，分子内的电子波函数（即“分子轨道”）携带着分子如何与其周围环境相互作用的信息。例如，它展示了分子如何吸收光或化学反应如何发生。因此，获得完整的三维波函数非常理想，但对波函数成像已被证明是一项重大的实验挑战。哥廷根大学的一个跨学科研究团队现已成功地对纳米级有机分子的三维波函数进行了成像。他们通过将最先进的光电子能谱学与强大的数学算法相结合，克服了这些限制。研究结果发表在 Nature Communications 上。

“波函数是量子力学中的一个基本量，但它无法被直接观察或测量，”哥廷根大学的Stefan Mathias教授解释道。相反，该团队采用了一种间接方法：即光电子能谱学，通过测量发射电子的动量来获取波函数的一半信息，而无需物理改变其状态。随后，复杂的计算机算法推导出另一半信息，使研究人员能够对完整的分子轨道进行成像，并分辨出比构成分子的碳原子之间距离更小的特征。然而，此前在三维空间中应用这一原理需要在大型同步加速器设施进行耗时的测量，这限制了其广泛应用，尤其是限制了其向在原子尺度上以三维视频形式对“动态”波函数进行成像的扩展。

哥廷根大学的Matthijs Jansen博士是这项研究的联合负责人，他强调了团队方法的独创性：“我们引入了两个强大的新概念。首先，通过从头重新设计计算机算法，现在可以用更少的实验数据获得可靠的三维图像。其次，该实验基于一种强大的、基于实验室的软X射线光源，可提供超短光脉冲。正是这两种技术的结合产生了如此显著的影响。”该研究的第一作者Wiebke Bennecke博士补充道：“这项技术可能意味着频闪摄影技术将成为现实，使我们不仅能够观察波函数的形状，还能以超快——甚至飞秒（千万亿分之一秒）——的分辨率观察其变化。这将意味着我们能够了解分子如何适应光学、电子或化学变化，并找到在几个原子层面上控制这些相互作用的新方法。”