飛秒物理：弄清氫鍵的量子力學性質

雖然物理學家知道氫鍵在水的許多奇怪現象中起著關鍵作用，但關於氫鍵機制的某些細節仍相當含糊。

一支國際研究團隊採用全新的方法對水分子中的原子進行成像，以飛秒級的精度捕捉它們的動態，揭示氫和氧是如何在水分子中推搡作用的。

這些知識無法幫助我們烹茶煮咖啡，但充實了氫鍵的量子模型，完善了理論認識。

美國能源部SLAC國家加速器實驗室的物理學家王希傑（音）說：“這確實為水研究打開了一扇新視窗。現在我們終於可以直觀看到氫鍵的運動。把這些運動與更廣泛的現象聯絡起來，可以闡明水如何導致地球上生命的起源，併為可再生能源的發展提供靈感。”

在孤立情況下，單個水分子是兩個氫原子和一個氧之間的電子的三方監護戰。

氧原子得到了電子更多的愛。這使得每個氫原子都有比正常多一點的無電子時間。這些小原子並不完全是帶正電的，但它確實使一個V形的分子有微妙的帶正電的叉頭和負電的底。

用足夠的能量把這樣的分子攪拌在一起，電荷的微小變化會把相同的電荷推開，吸引不相同的電荷。

雖然這聽起來可能很簡單，但這一過程背後的機制並不簡單。電子在各種量子定律的影響下不斷放大，這意味著我們靠得越近，對某些屬性就越不確定。

此前，物理學家曾依靠超快光譜學來了解電子在水的混亂拉鋸戰中的移動方式，捕捉光子並分析其特徵以繪製電子位置圖。

不幸的是，這遺漏了風景的一個關鍵部分——原子本身。它們遠不是被動的旁觀者，它們也會隨著它們周圍的量子力的變化而彎曲和擺動。

SLAC物理學家Kelly Gaffney說：“氫原子的低質量凸顯了它們的量子波狀行為。為了深入瞭解原子的排列，研究小組使用了一種叫做兆電子伏特超快電子衍射儀（MeV-UED0。這臺位於SLAC國家加速器實驗室的裝置用電子照射水，當電子從分子中跳出時，它攜帶著關於原子排列的關鍵資訊。

（Greg Stewart/SLAC國家加速器實驗室）

動畫顯示了一個水分子在被鐳射照射後的反應。當被激發的水分子開始振動時，它的氫原子（白色）將鄰近的水分子中的氧原子（紅色）拉近，然後將它們推開，擴大分子之間的空間。

有了足夠的快照，就有可能建立一個高解析度的氫震盪影象，因為分子在它們周圍彎曲和彎曲，揭示了氫如何從鄰近的分子中拖動氧向它們靠近，然後再猛地把它們推回去。

”這項研究首次直接證明，氫鍵網路對能量脈衝的反應關鍵取決於氫原子如何間隔的量子力學性質，長期以來人們一直認為這是水及其氫鍵網路的獨特屬性的原因。”

現在這個工具已被證明在原則上是有效的，研究人員可以用它來研究水分子在壓力上升和溫度下降時的湍流華爾茲，觀察它如何對構建生命的有機溶質作出反應，或在奇異條件下形成驚人的新相。

暴風雨看起來從未如此優雅。

這項研究發表在《自然》上。