量子揺らぎ:なぜ完全に平面な分子は存在しないのか(The quantum trembling: Why there are no truly flat molecules)

2026-02-20 ゲーテ大学

ドイツのフランクフルト大学の研究チームは、分子は理論上「平面構造」をとるとされてきたものでも、量子力学的効果により完全に平らにはならないことを示した。原子核は静止しているのではなく、ゼロ点振動によって常に微小に揺らいでおり、この「量子的揺らぎ(quantum trembling)」が分子全体にわずかな歪みを生じさせる。高精度な理論計算と分光学的解析により、従来は無視されてきたこの効果を定量化。結果は、分子構造の理解や材料設計、分子反応性の予測に新たな視点を与えるもので、ナノスケールでの構造安定性の再考を迫る成果となった。

量子揺らぎ:なぜ完全に平面な分子は存在しないのか(The quantum trembling: Why there are no truly flat molecules)
Quantum mechanical zero-point vibration—the “trembling” of the atoms—makes formic acid a chiral molecule whose two forms, like the right and left hand, cannot be superimposed. © Institute for Nuclear Physics, Goethe University Frankfurt

<関連情報>

ギ酸の平面基底状態における瞬間的な単一分子キラリティーの探査 Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid

D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz et al.
Physical Review Letters  Published: 30 January, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/bvqj-pm3n

Abstract

We experimentally demonstrate that individual molecules of formic acid are chiral even when they are in the vibronic ground state, which has a planar equilibrium structure. We ionize the C 1s⁢ shell of the molecule and record the photoelectron in coincidence with positively charged fragments. This provides two consecutive measurements of the structure of one molecule, the first by photoelectron diffraction imaging and the second by Coulomb explosion imaging. We find that both measurements show the same handedness of the specific molecule. The phenomenon of being achiral on average but chiral at the level of individual molecules is general to prochiral molecules and is a consequence of the three-dimensional zero-point delocalization of the nuclei in the vibrational ground state.

1701物理及び化学
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