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    《自然-通讯》发表我院孙振东等分子基本存在形式的最新研究成果

    时间:2015年04月17日    来源:    作者:    阅读:

    [本站讯]4月16日,山东大学物理学院孙振东教授等对分子基本存在形式的研究取得了重要进展,相关论文"Separation and conversion dynamics of nuclear-spin isomers of gaseous methanol"在线发表于《自然-通讯》(Nature Communications, 6:6877, DOI: 10.1038/ncomms7877)。

    孙振东教授等在世界上首次实现了室温大气下气态正甲醇和仲甲醇分子的分离,揭示了甲醇的两种原子核自旋变体动态相互转换这一新奇量子过程的物理机制。这也是孙振东教授等继2005年在《科学》(Science Vol. 130, 1938 (2005)) 上报道气态乙烯分子四种原子核自旋变体分离和转换的研究成果之后,在原子分子物理学的激光光谱精密测量领域取得的又一标志性成果。

    原子核自旋变体(简称核自旋变体,nuclear spin isomers)是分子存在的基本形式,它是分子结构中对称位置上的同种原子由于原子核自旋状态的不同而引变出的新分子。例如人们所熟悉的氢分子是由两个氢原子组成的,当这两个氢原子核(即质子)的自旋方向为平行(反平行)时,则形成正氢(仲氢)核自旋变体。在室温下,氢气实际上是由75%的正氢和25%的仲氢分子组成的。可以说,自然界中几乎所有的分子都是由几种核自旋变体组成的混合分子。通常人们在生活中很少意识到分子的核自旋变体,也不对它们加以区分,而将它们看作是一种分子,但分子的核自旋变体有不同的物理性质。例如,当把氢气的温度降到液氢的沸点20.4K (约零下253°C) 时,正氢几乎全部转化成纯仲氢,同时释放出大量的热量。因此在空间科学探索中,液氢被广泛地用作火箭燃料。从科学意义上看,人们对氢分子的核自旋变体的认识和研究也推动了量子力学的建立和发展,促进了质子自旋的发现。然而,由于实验分离手段的限制,人们对于氢气以外的很多其它分子的核自旋变体的认识和知识积累却很有限,迄今为止仅研究了包括乙烯在内的6种分子的核自旋变体。

    此次孙振东教授等发表的论文报道了通过激光光致漂移分离甲醇核自旋变体的实验方法。用一束偏谐的窄线宽强激光精准地控制了正甲醇分子的速度选择激发,成功地在室温大气下将正甲醇分子浓缩,使其浓度比自然浓度提高了大约1%,实现了正甲醇与仲甲醇分子的部分空间分离。通过精密测量两种甲醇核自旋变体在0.3到2Torr压力下浓度的变化,发现在其向自然分布状态转换过程中转换率出现反常,不像以前研究过的分子的核自旋变体的转换率那样随压力直线变化,而是随压力的增大不断减小。他们用量子弛豫理论很好地定量解释了这个新奇量子现象及其相互作用演化的量子过程。

    甲醇作为最重要的星际介质分子之一,其两种核自旋变体的丰度比可用来确定星际空间温度,因此该研究成果对天体物理有着潜在的应用价值,可以探索行星物质和恒星周围环境在过去的形成条件,以及预见其在未来的演化。另外,相对浓度改变之后核自旋变体的相互转换将影响分子的化学反应及其核磁共振信号强度。所以,该研究所展示的实验信息和结果还具有重要的实际意义。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

    论文及相关链接:

    http://www.nature.com/ncomms/2015/150416/ncomms7877/pdf/ncomms7877.pdf

    http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/310/5756/1938.pdf

    http://www.sciencemag.org/content/vol310/issue5756/twis.dtl

    http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/310/5756/1913.pdf

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