晶体环境可以影响分子的核自旋转换：干冰嵌入氢分子的量子态控制新方法

研究人员使用干冰（固体CO₂）嵌入氢分子，发现了一个令人惊讶的简单方法来控制量子态转换。这一发现对液态氢储存、催化研究甚至天文学都具有重要意义。

简单分子的量子奥秘

美国马里兰大学学院公园分校的化学物理学家Leah Dodson教授表示："我们使用了干冰和宇宙中最简单的分子——氢。"她和团队发现，当将氢分子嵌入干冰晶体中时，可以实现从正氢（ortho-hydrogen）到仲氢（para-hydrogen）的量子态转换。

分子氢可以以两种形式存在，即量子态，这取决于两个质子核自旋的方向：正氢的两个自旋平行排列，而仲氢的两个核自旋则反平行。在室温下，大多数氢处于正氢形式，但冷却至接近绝对零度时，氢分子会偏好仲氢形式。

意外的发现

作为燃料和医疗技术用的液态氢需要处于仲氢形式。但通常情况下，实现两种形式间的转换需要在强磁场或化学催化剂作用下才能完成。

令人惊讶的是，Dodson团队的发现表明，仅将氢嵌入干冰这个简单步骤就能将正氢转化为仲氢。更令研究人员意外的是，只有部分氢被转化。Dodson解释道："正氢有三种变体，干冰环境只将其中一种转化为仲氢形式。其他两种即使在接近绝对零度的温度下也完全锁定在正氢形式。"

晶体环境的关键作用

当研究人员用一氧化二氮（N₂O）替代干冰（具有不同的电荷分布）时，更多变体开始转化。当在氢环境中引入少量二氧化氮（NO₂）时，所有分子都开始转化。每种晶体环境打开了一组特定的门，并以可预测的方式控制氢分子的量子态。

普渡大学化学家Lee Liu评价道："这项工作展示了一种实现氢高效核自旋转换的方法，这对液态氢储存和催化研究都非常有用。我觉得这项工作非常有趣。他们证明了固体可以开辟操控分子状态的新途径。"

天文学意义

Dodson指出，同样的科学原理也可以解决天文学中一个长期存在的谜题。科学家目前通过测量彗星经过太阳时释放的水的正氢与仲氢比例来估算彗星形成温度。该计算基于一个假设——即自彗星形成以来，自旋态已经被冻结。Dodson认为自旋态固定的可能性很小，她的团队现在有了直接在实验室中验证这一假设的工具。

未来展望

"这个概念超越任何一个分子，"Dodson说道。如果晶体环境中分子所保持的化学特性决定了分子可以发生哪些量子转换，那么晶体设计就成为化学领域控制量子态的新工具。这一概念对于从合成商业相关化学品到构建稳定量子计算机的各个领域都具有根本性意义。

研究人员计划下一步将工作扩展到甲烷——一种具有更复杂自旋形式的替代燃料候选物。他们目前也在研究观察结果背后的详细物理机制。

马里兰大学学院公园分校的研究生、该研究的主要作者Nathan McLane表示："这非常有趣。宇宙中最简单的分子之一持续给我们带来惊喜，并指出了最简单问题中蕴含的奥秘。"

研究来源

该研究结果发表于《Physical Review Letters》期刊，DOI: 10.1103/2yw9-7h62