Физики раскрыли сложный механизм охлаждения трехатомной молекулы

Фотография криогенного кольца для хранения ионов в RIKEN, использованного для измерения динамики релаксации N₂O⁺. Автор: Лаборатория атомной, молекулярной и оптической физики RIKEN

Физики из японского института RIKEN обнаружили, что резонансный эффект может существенно влиять на процесс охлаждения возбуждённой трехатомной молекулы. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review A, подчёркивает сложность динамики релаксации даже простых молекул.

Малые энергетические молекулы в вакууме — например, в верхних слоях атмосферы или межзвёздном пространстве — могут либо распадаться, либо охлаждаться, высвобождая энергию через излучение света.

«Механизм рассеивания энергии молекул через радиационное охлаждение крайне важен для понимания стабильности горячих возбуждённых молекул, — поясняет Тосиюки Адзума из Лаборатории атомной, молекулярной и оптической физики RIKEN. — Это особенно актуально для химических реакций в разреженных средах, таких как верхние слои атмосферы Земли».

Однако изучение динамики охлаждения возбуждённых молекул представляет значительную сложность.

На бумаге положительный ион N₂O⁺ кажется обманчиво простым: два атома азота, соединённые с атомом кислорода, выстроенные в прямую линию. При возбуждении молекула может колебаться тремя способами: изгибаться вокруг центрального атома азота или растягиваться вдоль оси (по связи азот-кислород или азот-азот).

Казалось бы, избыточная энергия должна высвобождаться независимо в каждом из этих режимов. Но процесс охлаждения оказался удивительно сложным.

Эксперименты требовали создания условий ультравысокого вакуума и температуры, близкой к абсолютному нулю (в пределах 10°C). При этом процесс охлаждения занимал секунды — невероятно долго для молекулярной спектроскопии, где переходы обычно происходят за доли секунды.

Команда учёных под руководством Тосиюки Адзумы, Сакуми Хараямы и Сусуму Кумы использовала уникальное криогенное кольцо для хранения ионов RIKEN (одно из трёх в мире) для изучения процесса охлаждения N₂O⁺ после возбуждения.

Оказалось, что один из режимов растяжения молекулы имеет схожую энергию и симметрию с определённым режимом изгиба. Это создаёт условия для их взаимодействия через явление, известное как резонанс Ферми, открывая дополнительные пути охлаждения через вибрационные переходы, которые в обычных условиях не происходят.

Учёные обнаружили, что состояние с резонансом Ферми охлаждалось значительно медленнее, чем без него. Это первое прямое измерение влияния такого взаимодействия на динамику охлаждения.

«Впервые резонанс Ферми наблюдался во временной области, что ясно демонстрирует его ключевую роль в вибрационной динамике охлаждения молекул», — отмечает Сакуми Хараяма.

Дополнительная информация: S. Harayama et al, Fermi resonance in the radiative vibrational cooling dynamics of N₂O⁺, Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/PhysRevA.111.032803