Впервые зафиксированы переходы между спин-изомерами молекул

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.

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.