Органические молекулы, известные как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), распространены в межзвёздном пространстве и представляют собой основной резервуар углерода — важнейшего элемента для жизни. Удивительно, но самые маленькие из этих молекул удивительным образом выживают в суровых условиях космоса, и теперь исследовательская группа объяснила, как им это удаётся [¹].
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. Результаты помогут теоретикам моделировать распространение строительных блоков жизни по космосу.
Происхождение и выживание 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.
Небольшие ПАУ каким-то образом выживают при ультрафиолетовом излучении, молекулярных столкновениях и других процессах, которые вызывают внутренние вибрации, способные разорвать их на части.
Астрохимики считают, что в межзвёздном пространстве могут выживать только крупные ПАУ — с 50 и более атомами углерода [²]. Однако лабораторные эксперименты показали другой способ, с помощью которого некоторые малые ПАУ могут сбрасывать энергию; этот процесс называется рекуррентной флуоресценцией.
Рекуррентная флуоресценция
Вибрационно-возбуждённая молекула может перейти в электронно-возбуждённое состояние и затем испустить фотон, который уносит большую часть её колебательной энергии. Этот процесс может занимать миллисекунды, тогда как обычная флуоресценция — в которой фотон поглощается и затем быстро испускается — занимает наносекунды.
Однако лабораторные исследования изучали только ионы ПАУ с открытой оболочкой, имеющие неспаренные валентные электроны. В то же время недавние наблюдения JWST указывают на малые нейтральные ПАУ с замкнутыми электронными структурами.
Эксперимент по измерению скорости радиационного охлаждения
Для измерения скорости радиационного охлаждения и определения важности рекуррентной флуоресценции в ПАУ с замкнутой оболочкой Джеймс Булл разработал эксперимент на криогенном накопителе ионов DESIREE в Стокгольмском университете. Установка позволяет ионам циркулировать до часа в условиях, имитирующих те, что встречаются в некоторых регионах космоса — температура 13 К и плотность газа 10⁴ частиц/см³.
Команда использовала ионизированную форму индена, которая, как считается, также распространена в космосе. Молекулы инденила циркулировали сотни тысяч раз в секунду в накопительном кольце. По мере того как молекулы распадались, нейтральные фрагменты теряли стабильные орбиты и покидали кольцо, некоторые из них улавливались детекторами. Количество фрагментов инденила со временем уменьшалось, и исследователи обнаружили, что процесс стабилизации происходил в 5 раз быстрее, чем это типично для систем, охлаждаемых только инфракрасным излучением.
Моделирование молекулярной динамики
Для определения механизма исследователи обратились к моделированию молекулярной динамики. 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. В отличие от предыдущих моделей, которые предполагали, что ПАУ имеют единую жёсткую структуру, эта новая модель учитывала внутренние молекулярные вибрации, которые могут усиливать скорость рекуррентной флуоресценции.
Топологические вихревые решётки
Некоторые топологические системы привлекательны благодаря своей устойчивости и способности размещать квазичастицы, полезные для хранения информации. Исследователи создали топологические системы с использованием массивов наномагнетиков и других метаматериалов, но столкнулись с трудностями при их манипулировании.
Теперь Цуйлин Менг из Университета Колорадо в Боулдере и её коллеги создали жидкокристаллическую топологическую систему, называемую комбинаторной вихревой решёткой, которой легко управлять с помощью лазерных пинцетов [¹]. Комбинаторные вихревые решётки потенциально могут быть использованы не только для записи и хранения информации, но и для выполнения логических операций, говорят исследователи.
Для создания комбинаторных вихревых решёток исследователи поместили жидкий кристалл — материал, состоящий из вытянутых стержнеобразных органических молекул — в ячейку, состоящую из двух стеклянных слайдов. Одна стеклянная пластинка способствовала равномерному выравниванию молекул, в то время как исследователи пропускали синий свет через противоположную пластинку, чтобы разметить квадратную решётку закрепляющих участков, вокруг которых могли формироваться вихри.
Из-за ограничений, накладываемых слайдами, жидкий кристалл естественным образом формировал мостовидные вихревые линии, соединяющие соседние закрепляющие вихри. 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 соединения не могут быть разорваны путём простой перестановки соседних закрепляющих участков, если поблизости нет другого вихря с противоположным зарядом.
Робустность 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, говорят исследователи.
[¹] — ссылка на источник.
[²] — ссылка на источник.
Rachel Berkowitz — Corresponding Editor for Physics Magazine в Ванкувере, Канада.
Martin Rodriguez-Vega — Associate Editor for Physical Review Letters.