Органические молекулы, известные как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), заполняют межзвёздное пространство и представляют собой основной резервуар углерода — важнейшего элемента для жизни.
Выживание в суровых условиях
Самые маленькие из этих молекул удивительным образом выживают в суровых условиях космоса. Исследовательская группа объяснила, как им это удаётся. В экспериментах, имитирующих космические условия, команда показала, что молекулы могут использовать процесс, называемый рекуррентной флуоресценцией, чтобы избавиться от части потенциально разрушительной колебательной энергии, которую они получают от ультрафиолетовых фотонов и молекулярных столкновений.
Происхождение и обнаружение ПАУ
ПАУ образуются в умирающих звёздах и выбрасываются через сверхновые в межзвёздную среду. В 2021 году они были обнаружены в холодных межзвёздных облаках (молекулярных облаках), а обсерватория JWST подтвердила широкое распространение малых ПАУ в большем количестве, чем предсказывают модели.
Исследователи из Университета Британской Колумбии в Канаде под руководством Ильзы Кук отмечают, что до сих пор неясно, как эти ПАУ могут существовать в межзвёздном пространстве. Некоторые из них, несмотря на ультрафиолетовое излучение, молекулярные столкновения и другие процессы, вызывающие внутренние вибрации, которые могут их разорвать, как-то умудряются сохранять свою целостность.
Лабораторные эксперименты
Джеймс Булл из Университета Восточной Англии в Великобритании и его коллеги провели эксперименты, показав, что некоторые малые ПАУ могут сбрасывать энергию через рекуррентную флуоресценцию. Этот процесс позволяет молекуле переходить в электронно-возбуждённое состояние и затем испускать фотон, уносящий большую часть её колебательной энергии.
Однако лабораторные исследования изучали только ионы ПАУ с открытой оболочкой, имеющие неспаренные валентные электроны. В то же время наблюдения обсерватории JWST указывают на наличие малых нейтральных ПАУ с замкнутой электронной структурой.
Эксперимент в криогенном накопительном кольце DESIREE
Для измерения скорости радиационного охлаждения и определения важности рекуррентной флуоресценции в ПАУ с замкнутой оболочкой Булл разработал эксперимент в криогенном ионном накопительном кольце DESIREE в Стокгольмском университете. Установка позволяет ионам циркулировать до часа в условиях, имитирующих некоторые регионы космоса — при температуре 13 К и плотности газа 10^4 частиц/см^3.
Исследователи использовали ионизированную форму индена, которая, как считается, также широко распространена в космосе. Молекулы инденила циркулировали в накопительном кольце со скоростью сотни тысяч раз в секунду.
Результаты моделирования
Для определения механизма исследователи обратились к молекулярно-динамическому моделированию. При начальных колебательных энергиях в диапазоне от 5 до 8 эВ инденил подвержен трём конкурирующим процессам: потере энергии через инфракрасное излучение, потере энергии через рекуррентную флуоресценцию и диссоциации. Модель, объединяющая эти процессы, соответствовала наблюдаемой скорости стабилизации инденила.
Топологические вихревые решётки: управляемые системы
Некоторые топологические системы привлекательны благодаря своей устойчивости и способности поддерживать квазичастицы, полезные для хранения информации. Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и их коллеги создали жидкокристаллическую топологическую систему, называемую комбинаторной вихревой решёткой, которую легко манипулировать с помощью лазерных пинцетов.
Изготовление комбинаторных вихревых решёток
Для изготовления комбинаторных вихревых решёток исследователи поместили жидкий кристалл — материал, состоящий из вытянутых стержнеобразных органических молекул — в ячейку, состоящую из двух стеклянных слайдов. Одна стеклянная подложка способствовала равномерному выравниванию молекул, в то время как исследователи пропускали синий свет через противоположную подложку, чтобы разметить квадратную решётку мест закрепления, вокруг которых могли формироваться вихри.
Из-за ограничений, накладываемых слайдами, жидкий кристалл естественным образом формировал мостоподобные вихревые линии, соединяющие соседние места закрепления вихрей. Поскольку существует множество возможных вырожденных способов формирования этих соединений, низкоэнергетическая перестройка соседних вихревых соединений возможна с помощью лазерных пинцетов.
Команда также создала вихревые линии с более высокой энергией, которые соединяли несмежные участки, из которых растут вихри. Эти высокоэнергетические вихри обладают целочисленным аналогом заряда и являются топологическими, поскольку связи не могут быть нарушены простой перестановкой соседних мест закрепления, если поблизости нет другого вихря с противоположным зарядом.
Потенциальное применение
Устойчивость топологического заряда может сделать высокоэнергетические вихревые линии пригодными для хранения информации. Более того, комбинаторные вихревые решётки являются классическими явлениями. Некоторые топологические понятия, которые когда-то считались исключительно квантовыми, теперь нашли классическое соответствие.