Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Новый взгляд на нарушение эргодичности

Новый взгляд на нарушение эргодичности
Новый взгляд на нарушение эргодичности

В недавней научной статье исследователи во главе с научным сотрудником JILA и NIST Джуном Йе вместе с сотрудниками JILA и научным сотрудником NIST Дэвидом Несбиттом, учеными из Университета Невады, Рино и Гарвардского университета, наблюдали новое нарушение эргодичности в C 60 , сильно симметричная молекула, состоящая из 60 атомов углерода, расположенных в вершинах узора «футбольный мяч» (с 20 гранями шестиугольника и 12 гранями пятиугольника).

Их результаты выявили нарушение эргодичности при вращении C 60 . Примечательно, что они обнаружили, что это нарушение эргодичности происходит без нарушения симметрии и может даже включаться и выключаться по мере того, как молекула вращается все быстрее и быстрее. Понимание нарушения эргодичности может помочь ученым разработать более оптимизированные материалы для передачи энергии и тепла.

Многие повседневные системы демонстрируют «эргодичность», такую ​​как распространение тепла по сковороде и дым, заполняющий комнату. Другими словами, материя или энергия равномерно распределяются во времени по всем частям системы, насколько это позволяет закон сохранения энергии. С другой стороны, понимание того, как системы могут нарушать (или «нарушать») эргодичность, такие как магниты или сверхпроводники, помогает ученым понять и разработать другие экзотические состояния материи.

Во многих случаях нарушение эргодичности связано с тем, что физики называют «нарушением симметрии». Например, все внутренние магнитные моменты атомов в магните направлены в одном направлении, либо «вверх», либо «вниз». Несмотря на то, что они обладают одинаковой энергией, эти две разные конфигурации разделены энергетическим барьером.

«Нарушение симметрии» относится к системе, принимающей конфигурацию с более низкой симметрией, чем допускают физические законы, управляющие ее поведением, например, когда все магнитные моменты направлены «вниз» в качестве состояния по умолчанию. В то же время, поскольку магнит постоянно находится только в одной из двух равноэнергетических конфигураций, он также нарушил эргодичность.

Нарушение симметрии: магниты и футбольные мячи

Чтобы понять нарушение эргодичности вращения, постдокторский исследователь и ведущий автор Ли Лю объяснил: «Рассмотрите футбольный мяч, брошенный по тугой спирали по часовой стрелке. низкоэнергетической 90-градусной конфигурации в 180-градусную. Это показано на рисунках 1Б и 1С. Это потребует преодоления энергетического барьера. Таким образом, спиралевидный футбольный мяч сохраняет свою сквозную ориентацию в свободном полете, нарушая эргодичность и симметрия, как у магнита».

Однако, в отличие от футбольных мячей, изолированные молекулы должны подчиняться правилам квантовой механики. В частности, два конца молекулы этилена (квантовый аналог футбольного мяча) неразличимы. Таким образом, переориентация вращающейся молекулы этилена на 180 градусов из стороны в сторону также влечет за собой преодоление энергетического барьера; начальное и конечное состояния неразличимы. У молекулы нет двух разных сквозных ориентаций на выбор, а симметрия и эргодичность восстанавливаются, а это означает, что основное состояние молекулы представляет собой комбинацию или суперпозицию как конечного, так и начального состояний.

Инфракрасная спектроскопия C 60

Чтобы исследовать динамику вращения молекулы C 60 , исследователи обратились к методу, впервые предложенному группой Ye в 2016 году: сочетание охлаждения буферного газа с чувствительной инфракрасной спектроскопией с усилением резонатора . Используя эту технику, исследователи измерили инфракрасный спектр C 60 с чувствительностью, в 1000 раз превышающей достигнутую ранее. Он заключался в освещении молекул C 60 лазерным лучом и «прослушивании» частот света, которые они поглощают.

«Точно так же, как звук инструмента может рассказать вам о его физических свойствах, молекулярные резонансные частоты, закодированные в его инфракрасном спектре, могут рассказать нам о структуре и динамике вращения молекулы», — сказал Лю. Вместо того, чтобы физически вращать молекулу все быстрее и быстрее, исследователи исследовали образец газовой фазы многих молекул C 60 , в которых некоторые вращались быстро, а некоторые медленно. Полученный инфракрасный спектр содержал снимки молекулы при различных скоростях вращения.

«Сшивание этих следов вместе дало полный спектр, раскрывающий полную картину эволюции (или разрушения) эргодичности молекулы», — уточнила Дина Розенберг, научный сотрудник группы Йе.

Благодаря этому процессу исследователи обнаружили удивительное поведение C 60 : его вращение на частоте 2,3 ГГц (миллиард оборотов в секунду) делает его эргодичным. Эта эргодическая фаза сохраняется до 3,2 ГГц, когда молекула нарушает эргодичность. Поскольку молекула вращается быстрее, она снова становится эргодической на частоте 4,5 ГГц. Это своеобразное поведение переключения удивило исследователей, поскольку переходы эргодичности обычно происходят только при увеличении энергии и в одном направлении. Любопытно, что команда углубилась в спектр, чтобы понять, откуда взялось такое поведение.

Нарушение эргодичности — квантовый футбол, фрисби и футбол

Анализируя инфракрасный спектр, исследователи смогли сделать вывод о деформации молекулы, вызванной ее вращением. «Точно так же, как шины дрэг-гоночного автомобиля больше выпячиваются при вращении с большей скоростью, скорость вращения C 60 определяет его структурную деформацию. Инфракрасные спектры показывают, что когда скорость вращения C 60 достигает 2,3 ГГц, возникают две возможности: форму фрисби или удлиненную форму футбольного мяча», — сказал Лю.

«Первое происходит, если он вращается вокруг пятиугольника, а второе — если он вращается вокруг шестиугольника. Когда C 60 достигает частоты 3,2 ГГц, шестиугольные и пятиугольные вращения приводят к деформации, подобной футбольной. На частоте 4,5 ГГц шестиугольное вращение генерирует фрисби. -подобная деформация, в то время как пятиугольное вращение создает деформацию, подобную футбольному мячу».

Как оказалось, специфические переходы эргодичности C 60 можно полностью отнести к этой последовательности деформаций, вызванных вращением молекулы.

Нарушение эргодичности, но не симметрии

В газовой фазе молекулы C 60 сталкиваются настолько редко, что ведут себя так, как если бы они были изолированы, а это означает, что неразличимость каждого атома углерода в C 60 становится важной. Следовательно, вращение молекулы вокруг любого пятиугольника эквивалентно вращению ее вокруг любого другого пятиугольника. Точно так же вращение молекулы вокруг любого шестиугольника эквивалентно вращению ее вокруг любого другого шестиугольника.

Как и в этилене, квантовая неразличимость атомов углерода C 60 восстанавливает симметрию пятиугольного и гексагонального секторов вращения. Тем не менее данные исследователей показали, что ось вращения молекулы никогда не переключалась между секторами.

Данные показали две причины такой изоляции вращения вокруг одной оси. При скоростях вращения ниже 3,2 и выше 4,5 ГГц пентагональный и гексагональный секторы вращения изолированы из-за сохранения энергии. «Чтобы раскрутить футбольный мяч, требуется больше энергии, чем фрисби [из-за его массы]», — сказал Лю. В этом диапазоне молекулы C 60 эргодичны, поскольку пентагональные и гексагональные сектора исследуют все возможные состояния в различных диапазонах энергий, как и в случае этилена.

При скоростях вращения от 3,2 до 4,5 ГГц пятиугольные и шестиугольные сектора существуют в одном и том же диапазоне энергий. «Это потому, что вращение шестиугольного и пятиугольного футбольного мяча требует одинакового количества энергии», — сказал Лю.

«Тем не менее, C 60 по-прежнему не может переключаться между двумя секторами вращения из-за энергетического барьера — того же барьера, который не позволяет футбольному мячу переворачиваться в полете. Таким образом, в этом режиме C 60 нарушил эргодичность без нарушение симметрии. Этот механизм нарушения эргодичности без нарушения симметрии, который может быть понят просто в терминах деформации вращающейся молекулы, был для нас полной неожиданностью».

Эти результаты показывают редкий пример нарушения эргодичности без нарушения симметрии , что дает дальнейшее понимание квантовой динамики системы.

Как предполагают исследователи, многие другие молекулярные виды ждут подробного изучения с использованием новой техники команды. «Молекулы, вероятно, таят в себе еще много сюрпризов, и мы рады их открыть».

Теги: квант

В тренде