Физика

Впервые зафиксированы переходы между спин-изомерами молекул

Схематическая иллюстрация перехода между орто- и пара-состояниями молекулы

Hokkaido University

Ученым впервые удалось измерить излучение от перехода между орто- и парасостоянием одной молекулы. Эти конфигурации отличаются взаимным расположением ядерных спинов входящих в состав молекул атомов, а переходы с участием фотона между ними строго запрещены. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Некоторые молекулы могут находиться в двух состояниях — орто- и пара-, которые также называются спин-изомерами. Из-за взаимодействия ядерных спинов энергия этих состояний немного различается. Переход между ними с участием фотона строго запрещен, то есть он не происходит в основном приближении — электродипольном, но в новой работе его удалось зафиксировать. Изучая систему молекул S2Cl2 с выгодной пропорцией таких изомеров, физики уловили микроволновое излучение от нескольких таких переходов, при этом зафиксированная интенсивность оказалась в 1000 меньше, чем у разрешенных переходов.

Самая известная молекула со спин-изомерами — это водород H2. При комнатной температуре около 75% молекул находится в ортосостоянии, при котором спины протонов направлены в одну сторону. При низких температурах столкновения молекул превращают большую часть ортоводорода в антисимметричный параводород, обладающий немного меньшей энергией. Однако излучательные переходы, при которых отдельная молекула меняет спин-конфигурацию, при этом испуская или поглощая фотон, крайне маловероятны. Теоретически предсказываемый темп такого перехода для отдельной молекулы водорода составляет меньше одного события за текущий возраст Вселенной.

Схематическая иллюстрация перехода между орто- и парасостоянием молекулы

H. Kanamori/Tokyo Institute of Technology

Хидэто Канамори из Токийского технологического университета и его коллеги изучали спирально скрученную молекулу дитиодихлорида S2Cl2. В этой системе наблюдается достаточно сильное сверхтонкое взаимодействие между квадрупольным моментом ядра и молекулярным электрическим полем. В результате некоторые вращательные состояния дитиодихлорида оказываются смесью спин-изомеров. Коллектив физиков показал, что благодаря этому смешиванию часть интенсивности разрешенных орто-орто и пара-пара переходов «просачивается» в запрещенный орто-пара переход. Это предсказание было подтверждено наблюдением линий микроволнового излучения, за которые ответственны несколько запрещенных переходов. Оцененный таким образом темп этого перехода в данной молекуле отказался около одного события в несколько тысяч лет.