氫分子轉動激發研究獲進展

近日，中國科學院合肥物質科學研究院在稠密氫分子中首次觀測到符合ΔJ=0拉曼選擇定則、卻長期未被發現的轉動激發。

氫分子是量子力學中最典范的模型體系之一。根據拉曼選擇定則，氫分子轉動激發僅允許ΔJ=±2與ΔJ=0的躍遷。ΔJ=±2躍遷已在氫、氘及其混合物中被實驗觀測到，而ΔJ=0躍遷在氣態/流體態中因能級簡并表現為零頻率，難以探測。在固態下，六方晶體場會解除能級簡并，使ΔJ=0躍遷具有非零能量。然而，因其躍遷頻率較低，被瑞利線所掩蓋，缺乏實驗觀測證據。

研究團隊自主搭建了高性能低波數高壓低溫拉曼光譜系統，并進行系列的高壓氫的研究工作。此次研究對系統進行進一步優化，并開展了高壓稠密氫、氘及其混合物的壓力—溫度拉曼光譜測量，觀測到ΔJ=0這一“被藏起來的”激發信號。研究發現，在氣態時，該激發拉曼位移為零；在固態中，該激發拉曼位移偏離了零值。在約25 GPa、10 K條件下，氫、氘及其混合物分子的拉曼位移均出現在約50 cm^-1處。這表明，ΔJ = 0躍遷頻率不依賴于同位素質量，其拉曼激發來源于同一個轉動能級間的躍遷，是區別于傳統諧振子與量子轉子的全新激發模式。

這一研究實現了對氫分子中最后一個符合拉曼選擇定則的實驗觀測，證明了晶體場下量子選擇定則的完整表現形式，為極端條件下基礎量子體系涌現的新穎物理現象提供了范例。同時，該成果深化了對氫這一關鍵量子體系的理解，并為探索其他高密度分子體系中的新奇量子態提供了新的實驗技術方案。

相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。

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