Основная задача химической и молекулярной физики — понять молекулы как квантово-механические системы. Сложная внутренняя динамика таких систем развивается в широких энергетических и временных масштабах, проявляющихся в различных электронных, колебательных, вращательных и спиновых степенях свободы. С момента своего первоначального открытия уникальные свойства бакминстерфуллерена (C 60 ) привлекают к себе пристальное внимание исследователей. Следует отметить, что молекула (С 60 + ) был идентифицирован в качестве компонента загадочных диффузных межзвездных полос, которые находятся в спектрах покрасневшей звездного света в пространстве. Структурно, уникальная архитектура углеродных клеток делает их привлекательным предметом в медицинской химии получить потенциальные терапевтические агенты.

Бакминстерфуллерен имеет форму клетки с конденсированной структурой колец (усеченный икосаэдр), напоминающий футбольный мяч. Составленная из 20 гексаграмм и 12 пятиугольников (60 вершин и 32 граней), молекула содержит атом углерода в вершинах и ковалентную связь вдоль каждого ребра многоугольника. Члены семейства фуллеренов исследуются в широком спектре научных дисциплин на предмет их привлекательных физических, химических, квантовых и биологических свойств.

Например, спектроскопия полного квантового разрешения изолированных молекул C 60 представляет давний интерес. До сих пор такие наблюдения было трудно получить, поскольку молекулы C 60 должны быть получены в холодной газовой фазе при достаточно высоких плотностях. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science , физики Брайан Чангала и его коллеги сообщают о наблюдениях инфракрасного спектрального поглощения с высоким разрешением C 60 в 8,5-микронной области спектра (что соответствует волновому числу от 1180 до 1190).

В экспериментах команда объединила криогенное охлаждение буферного газа и резонансную гребенчатую спектроскопию с улучшенной полостью для наблюдения квантово-разрешенного вращательно-колебательного (вращательно-колебательного) перехода. Молекулы обычно расходуют больше энергии на вибрацию, чем на вращение, поэтому полоса вибрационного поглощения охватывает много одновременных вращательных переходов, хотя они имеют тенденцию размываться, когда в молекуле содержится более нескольких атомов.

Результаты исследования показали характерные характеристики статистической интенсивности ядерных спинов, чтобы подтвердить неразличимость 60 атомов углерода-12. Ровибрационные структуры закодировали дополнительные детали редкой икосаэдрической симметрии молекулы. Changala et al. успешно охлаждали фуллерены C 60, чтобы получить вращательное разрешение в пределах растягивающейся полосы CC. Успех эксперимента зависел от тщательной оптимизации потока буферного газа аргона. Наблюдаемые свойства разрешения квантового состояния могут помочь характеризовать соединения фуллеренового типа в экзотических средах, таких как межзвездное пространство.

Бакминстерфуллерен C 60 был обнаружен Kroto et al. в 1985 году. После его открытия инфракрасная (ИК) и 13C ядерная магнитно-резонансная (ЯМР) спектроскопия подтвердила свою клеточную икосаэдрическую структуру. Научное понимание молекулы получило дальнейшее развитие благодаря последующим спектроскопическим и аналитическим методам, включая рентгеновскую и электронную дифракцию , комбинационное рассеяние и рассеяние нейтронов , ИК-спектроскопию с матричной изоляцией и фотоэлектронную спектроскопию.

Спектроскопия сыграла ключевую роль в астрономическом обнаружении C 60 и его производных. Однако до настоящего времени не было сообщений о квантово-квантовых измерениях с разрешением состояния молекул C 60 . Таким образом, эксперименты, о которых сообщают Чангала и др., Устанавливают C 60 как самую большую молекулу и единственный пример редкой икосаэдрической симметрии, для которой наблюдается полный внутренний спектр с квантовым разрешением состояния.

В исследовании была выбрана полоса колебаний 8-5 мкм, поскольку она является ИК-модой с самой низкой энергией в доступной области длин волн. В экспериментах медная печь с температурой 950 К сублимировала твердые образцы С 60 для генерации газофазных молекул со средней внутренней энергией 6-8 эВ на молекулу. Образцы населяли от 10 26 до 10 30 колебательных квантовых состояний.

Горячие молекулы затем перетекали в камеру, закрепленную на криогенном холодном пальце, где они термализовались в результате столкновений с холодными атомами буферного газа, введенными в клетку. Физики исследовали молекулы холодной фазы, используя прямолинейную гребенчатую спектроскопию с улучшенной полостью (CE-DFCS), соединяя гребенку частоты с оптической полостью высокой точности, окружающей холодную ячейку, для генерации длинноволнового ИК (LWIR) частотного гребенчатого света в центре около 8,5 мкм.

Интенсивность каждого гребенчатого зуба, прошедшего через полость, считывалась с использованием широкополосного интерферометра с преобразованием Фурье сканирующего рычага . Чангала и его коллеги первоначально пытались наблюдать холодную газовую фазу C 60, используя условия буферного газа гелия низкого давления, аналогичные предыдущим работам , но не могли дать заметного поглощения. Результаты показали, что большее количество столкновений и более эффективный перенос энергии на одно столкновение потребовалось бы для термического превращения C 60 в его основное колебательное состояние . В результате получается достаточно плотный, холодный C 60В ходе исследования образец был получен путем (1) увеличения массы буферного газа путем переключения с гелия на аргон и (2) тщательной оптимизации потока буферного газа, а также позиционирования печи относительно входной щели. Спектр, полученный в этих условиях, показал хорошо разрешенную тонкую колебательную структуру с узкой шириной линии.

Широкая спектральная полоса частот частотного гребня позволила наблюдать между узким и широким сигналами, которые покрывали всю ширину наблюдаемой полосы колебаний. Наблюдаемая тонкая структура в инфракрасном спектре обеспечила фундаментальные детали квантово-механической структуры C 60 . Энергии состояний определялись эффективными вращательными гамильтонианами для каждого колебательного состояния. Результаты также показали исключительные примеры ядерной спиновой статистики в работе.

Ученые провели эксперименты, чтобы получить подробные изображения измеренного ИК-диапазона. При обнаружении R переходов ветвей; где вращательное квантовое число в основном состоянии было на единицу больше, чем вращательное квантовое число в возбужденном состоянии (то есть ∆J = +1). Ожидаемые образцы интенсивности от моделирования согласуются с измеренным спектром. Наблюдаемые закономерности были следствием квантово-механической неразличимости идеального икосаэдрического расположения углеродных ядер, составляющих 12 C 60 .

В области Q-ветви спектра, где вращательное число Q в основном состоянии было похоже на вращательное число Q в возбужденном состоянии (то есть ∆J = 0), исследователи обнаружили несколько особенностей. Они присвоили наибольшую волновую характеристику как Q-ветвь изотополога 12 C 60 в его основном колебательном состоянии. Остальные признаки в области Q-ветви не были определены окончательно, но ученые полагали, что они были получены из однократно замещенного изотополога 12 C 59 13 C. Хотя естественное содержание 13 C составляет всего 1: 1%, 60 эквивалентных сайтов замещения в молекуле приводят к заметно высокому 12 C 59 13C: 12 C 60 соотношение около 2: 3.

В то время как качественный внешний вид измеренной ветви R и Q соответствовал моделированию, в ветви P результаты были в значительной степени противоречивы. P-ветвь — это то, где вращательное квантовое число в основном состоянии на единицу меньше, чем вращательное квантовое число в возбужденном состоянии (то есть ∆J = -1). Симуляция нулевого порядка не смогла уловить положение числа наблюдаемых переходов. Это было вероятно, поскольку члены центробежного искажения высокого порядка не были включены в моделируемый спектр.

Описанные эксперименты, проведенные Чангалой и его коллегами, указывают на захватывающее направление исследований фуллеренов из-за широкого отношения молекул из космоса к медицине . Практические применения охлаждения буферного газа, представленные в исследовании, также установили возможность экспериментальной повторяемости в будущем.

Дополнительная работа может использовать вибрационную, электронную или другие спектроскопии на более крупных фуллеренах, таких как C 70. Эксперименты могут также включать эндофуллерены, в которых атом или молекула инкапсулированы в закрытой фуллереновой клетке, или даже включать чистый 13 C 60 в качестве первичного примера сеть спина -1/2 на сферической решетке. Химическая и молекулярная физика с точной спектроскопией таких мишеней является первым шагом к подготовке единичного квантового состояния до экспериментального управления большими молекулярными системами.