Физики из RIKEN обнаружили, что резонансный эффект может существенно влиять на охлаждение трёхатомной молекулы при возбуждении. Исследование, [опубликованное](https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.111.032803) в журнале Physical Review A, подчёркивает сложность динамики релаксации даже простых молекул.
Маленькие энергичные молекулы в вакууме
Маленькие энергичные молекулы в вакууме, такие как молекулы в верхних слоях атмосферы или в [межзвёздном пространстве](https://phys.org/tags/interstellar+space/), могут либо распадаться, либо охлаждаться, высвобождая энергию в виде света.
«Механизм рассеяния энергии молекул через [радиационное охлаждение](https://phys.org/tags/radiative+cooling/) имеет решающее значение для понимания стабильности горячих возбуждённых молекул, — говорит Тошиюки Азума из лаборатории атомной, молекулярной и оптической физики RIKEN. — Он важен для [химических реакций](https://phys.org/tags/chemical+reactions/) в разрежённых средах, таких как верхние слои атмосферы Земли».
Определение динамики охлаждения возбуждённых молекул
Однако определить динамику охлаждения возбуждённых молекул может быть сложно.
На бумаге положительный ион N₂O⁺ кажется обманчиво простым. Он состоит из двух [атомов азота](https://phys.org/tags/nitrogen+atoms/), соединённых с [атомом кислорода](https://phys.org/tags/oxygen+atom/), причём все три атома выровнены в прямую линию.
При вибрационном возбуждении N₂O⁺ движется одним из трёх способов: изгибаясь вокруг своего центрального атома азота или растягиваясь вдоль своей оси (вдоль связи азот-кислород или азот-азот).
Можно было бы ожидать, что избыточная энергия будет высвобождаться в каждом режиме независимо. Но процесс охлаждения оказывается удивительно сложным.
Использование криогенного ионного накопительного кольца
Проведение измерений — сложная задача: молекулы должны находиться в сверхвысоком вакууме и при температуре, близкой к абсолютному нулю (в пределах 10 °C). Процесс охлаждения длится секунды — крайне долгое время для молекулярной спектроскопии электронными переходами, где переходы обычно происходят за доли секунды.
Теперь Азума, Сакуми Хараяма, Сусуму Кума и их коллеги использовали криогенное ионное накопительное кольцо RIKEN — один из трёх подобных инструментов в мире — чтобы определить, как N₂O⁺ охлаждается после возбуждения.
Влияние ферми-резонанса на динамику радиационного охлаждения
Одно из растягивающих движений N₂O⁺ имеет энергию и симметрию, аналогичные специфическому изгибающемуся движению. Это позволяет двум режимам вибрационных движений соединяться через явление, известное как ферми-резонанс, открывая пути охлаждения через вибрационные переходы, которые обычно не происходят.
Команда задалась вопросом, может ли ферми-резонанс влиять на динамику радиационного охлаждения молекулы.
Чтобы выяснить это, они использовали тот факт, что N₂O⁺ имеет два электронных основных состояния: одно с ферми-резонансом и одно без него. Это позволило им напрямую сравнить поведение охлаждения в обоих состояниях.
Они обнаружили, что состояние с ферми-резонансной связью имело значительно более медленную скорость охлаждения, чем состояние без неё. Это был первый раз, когда эффект связи на динамику охлаждения был измерен.
«Это было первое наблюдение ферми-резонанса во [временной области](https://phys.org/tags/time+domain/), показывающее явное доказательство того, что ферми-резонанс играет решающую роль в динамике вибрационного охлаждения молекул», — отмечает Хараяма.
Предоставлено RIKEN