Группа израильских и французских химиков провела компьютерное моделирование особого состояния газа, в котором молекулы движутся со сравнительно небольшими скоростями, но при этом очень быстро вращаются. Оказалось, что при переходе от этого состояния к равновесному наблюдаются затруднения, родственные гироскопическому эффекту, мешающие переводу вращательной энергии в поступательную. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Фрагмент графика, показывающего вероятность обнаружения молекулы с данной вращательной энергией от времени. Отчетливо виден процесс взрывного перехода в равновесное состояние.Изображение: Yuri Khodorkovsky et al. / Nature Communications, 2015

В новой работе авторы с помощью метода молекулярной динамики впервые проследили, как эволюционирует подобная система при комнатной температуре с течением времени. В качестве модельных газов химики выбрали азот, кислород и углекислый газ, молекулы которых линейны. Основным параметром в симуляции было соотношение кинетических энергий поступательного и вращательного движений частиц. Оказалось, что если вращательное состояние системы было получено с помощью метода оптической центрифуги, то его возврат к равновесию происходил с выраженным замедлением. В тех же случаях, когда молекулам сообщался угловой момент обычными лазерными импульсами (при этом соотношение кинетических энергий достигало небольших значений) переход к равновесию происходил экспоненциально.

Переход к равновесию после оптической центрифуги. Изображение: Yuri Khodorkovsky et al. / Nature Communications, 2015

По словам авторов, разница между этими двумя ситуациями состоит в начальных состояниях. Оптическая центрифуга представляет собой лазерный импульс, поляризация которого закручена по спирали. Она заставляет все молекулы газа вращаться, следуя за вектором поляризации.

Принцип действия оптической центрифуги. Изображение: University of British Columbia

Как только лазер выключается, остаточное вращение создает эффект, похожий на гироскопический — молекулы поддерживают свое вращение вокруг оси, практически не переводя свою энергию в поступательную при столкновениях. Однако, спустя некоторое время, зависящее от исходного соотношения вращательных и поступательных энергий, происходит взрывной переход к равновесному состоянию.

Распределение угловых моментов молекул после действия оптической центрифуги. Изображение: Yuri Khodorkovsky et al. / Nature Communications, 2015

Такому результату можно сопоставить аналогию из макромира. Системе вращающихся молекул можно сопоставить набор волчков, которые исследователи одновременно раскрутили. При этом волчки медленно двигаются друг относительно друга и даже сталкиваются, но основная доля столкновений приводит лишь к перераспределению скоростей вращения между волчками. Эффект гироскопа, из-за быстрого кручения, мешает передаче энергии в поступательное движение. Через некоторое время появляются волчки, вращение которых медленнее некоторого предела (и волчки, вращающиеся быстрее начальной скорости). Столкновения с такими медленными волчками не стабилизируется гироскопическим эффектом — энергия начинает перетекать в поступательное движение. По некоторым причинам этот переход происходит очень быстро.

Состояние вещества, исследованное авторами, было получено при комнатной температуре в 2009 году. Для этого образец газа облучался фемтосекундными лазерными импульсами, превращавшими молекулы системы в суперроторами, скорость вращения которых намного превосходила скорость поступательного движения. При комнатной температуре время жизни состояния — единицы наносекунд (миллиардных долей секунды), однако этого достаточно чтобы исследовать поведение частиц и обнаружить подобную аномалию. Считается, что суперроторы могут обладать экзотическими оптическими и магнитными свойствами.