问题:基础分子体系中为何存在“该出现却没出现”的谱线 氢分子因结构最为简洁,被视为量子力学研究的典型模型体系之一。
围绕氢分子的转动与振动,科学界建立了较为清晰的理论框架。
按照拉曼散射的选择定则,氢分子转动激发跃迁通常允许ΔJ=±2,同时也存在ΔJ=0这一“原则上可发生”的通道。
然而,在相当长时间里,ΔJ=0相关信号在实验上难以被直接、明确地分辨,成为高压分子光谱研究中的一处空白:理论允许、实验却“缺席”。
原因:极端条件下的弱信号与能级重构,让观测更像“在噪声中找针” 研究人员介绍,ΔJ=0激发在气态或流体态条件下对应的拉曼位移接近零,信号容易与仪器底噪、瑞利散射尾部等因素混叠;同时在高压条件下,样品体积极小、散射光弱、实验窗口受限,进一步抬高了识别难度。
更关键的是,氢在高压低温下会发生固化并出现分子间相互作用显著增强,原本简洁的转动能级会发生分裂与重构,导致谱线位置、强度与线形产生复杂变化。
也就是说,ΔJ=0并非不存在,而是“藏”在极端条件与复杂谱学效应之中,过去缺少同时满足低波数、高压、低温与高信噪比的实验手段来将其从背景中“拎出来”。
影响:从一条谱线到一类机制,为高压氢研究补上关键拼图 此次研究由中国科学院合肥物质科学研究院固体所刘晓迪研究员团队与国外研究团队合作完成。
团队在自主搭建的高性能低波数高压低温拉曼光谱系统基础上,进一步优化测量能力,对高压稠密氢、氘及其混合物开展系统的压力—温度拉曼光谱测量,首次明确观测到ΔJ=0这一此前难以确认的转动激发信号。
研究发现:在气态条件下,该激发的拉曼位移为零;而当体系进入固态后,相关信号出现对零位移的偏离,呈现出与固化后能级分裂相一致的谱学特征。
业内人士认为,这一结果的意义不止于“多看到一条线”。
在高压物理与凝聚态研究中,氢被视作理解分子晶体、核量子效应以及潜在高温超导机制的重要对象之一。
对ΔJ=0转动激发的直接观测,有助于更精确地刻画固态稠密氢中分子转动自由度如何被晶格环境改造,进而为判断相边界、识别新相与理解相变动力学提供更可靠的实验锚点。
更重要的是,氢及其同位素体系常被用作检验理论计算与实验观测一致性的“标尺”,此次发现将推动相关模型在极端条件下的再校准。
对策:以平台能力提升带动系统性研究,强化跨团队协同验证 实现上述突破,离不开对实验平台的长期积累与持续迭代。
此前,该团队已在高压氢研究方面开展系列工作,包括绘制更高压力范围的氢体系高压低温相图、发现新的量子相并观察到核量子效应主导的反常相图特征,对存在多年的相关相图认识进行了更新。
此次在既有平台与经验基础上,研究团队通过进一步优化低波数拉曼探测能力与极端条件下的稳定测量方案,使得对“近零位移”弱信号的分辨成为可能。
面向后续研究,受访科研人员建议,一方面应继续提升高压低温条件下光谱测量的灵敏度与稳定性,形成可重复、可交叉验证的实验流程;另一方面应加强与理论计算、其他谱学与散射手段的互证,避免将复杂条件下的谱线误判为单一机制所致。
通过在氢、氘及混合体系中的系统对比,可进一步厘清同位素效应对转动激发与相变行为的影响,为构建更完整的物性图景奠定基础。
前景:从实验“看见”走向“看懂”,为极端条件物质科学打开新窗口 稠密氢研究不仅关乎基础物理,也与行星内部物质状态、极端条件化学反应路径以及新型量子材料探索等方向存在潜在关联。
随着高压实验技术与计算方法的共同进步,未来有望在更宽广的压力—温度范围内追踪氢分子转动、振动与晶格耦合的演化规律,建立更精细的相变判据与谱学指纹库。
对ΔJ=0激发“从无到有”的确认,也提示科研界:在极端条件下,一些被视作理所当然的选择定则结果,仍可能因观测能力不足而被长期遮蔽;而一旦突破关键测量瓶颈,隐藏信息将转化为推动理论与实验共同前进的新支点。
基础科学研究的每一次重大突破,都是人类认知边界的重要拓展。
我国科学家在量子领域的这一发现,不仅体现了持之以恒的探索精神,更彰显了自主创新科研装备的关键作用。
在建设科技强国的征程中,此类原创性、引领性的基础研究成果,将持续为技术创新和产业变革注入源头活水。