遍历性破坏的新旋转

在最近的一篇 《科学》 论文中，由 JILA 和 NIST 研究员 Jun Ye 领导的研究人员，以及合作者 JILA 和 NIST 研究员 David Nesbitt(来自内华达大学、里诺分校和哈佛大学的科学家)观察到了 C60 中新颖的遍历性破缺，C60 是一种高度对称的由 60 个碳原子组成的分子，排列在“足球”图案的顶点上(有 20 个六边形面和 12 个五边形面)。他们的结果揭示了 C60 旋转中遍历性的破坏。值得注意的是，他们发现这种遍历性破缺的发生没有对称性破缺，甚至可以随着分子旋转得越来越快而打开和关闭。了解遍历性破坏可以帮助科学家设计出更优化的能量和热传递材料。

许多日常系统都表现出“遍历性”，例如热量在煎锅上传播和烟雾充满房间。换句话说，在能量守恒允许的情况下，物质或能量随着时间的推移均匀地分布到所有系统部分。另一方面，了解系统如何违反(或“破坏”)遍历性，例如磁铁或超导体，有助于科学家理解和设计其他奇异的物质状态。

在许多情况下，遍历性破缺与物理学家所说的“对称性破缺”有关。例如，磁铁中原子的内部磁矩都指向一个方向，要么“向上”，要么“向下”。尽管拥有相同的能量，但这两种不同的配置被能量势垒隔开。“对称性破缺”是指系统假设的配置的对称性低于控制其行为的物理定律所允许的对称性，例如所有磁矩都指向“向下”作为默认状态。同时，由于磁体永久地停留在两种等能量配置中的一种，因此它也破坏了遍历性。

对称性破缺：磁铁和足球

为了理解旋转遍历性破坏，博士后研究员兼主要作者 Lee Liu 解释道：“考虑一个沿着顺时针螺旋抛出的足球。您永远不会看到足球在飞行途中自发地翻转 180 度，从低能量 90 度配置变成 180 度配置!这如图 1B 和 1C 所示。这需要克服能量障碍。因此，螺旋足球在自由飞行中保持其端对端方向，像磁铁一样打破遍历性和对称性。”

然而，与足球不同的是，孤立的分子必须遵守量子力学的规则。具体来说，乙烯分子(足球的量子模拟)的两端是无法区分的(图 1C)。因此，将旋转的乙烯分子以 180 度从头到尾重新定向也需要克服能量势垒;初始状态和最终状态是无法区分的。该分子没有两个不同的端到端方向可供选择，并且对称性和遍历性得到恢复，这意味着分子的基态是最终状态和初始状态的组合或叠加。

C60的红外光谱

为了探究 C60 分子的旋转动力学，研究人员转向了叶小组于 2016 年首创的一项技术：将缓冲气体冷却与敏感的腔增强红外光谱相结合。利用这项技术，研究人员测量了 C60 的红外光谱，其灵敏度比以前高出 1000 倍。它涉及用激光照射 C60 分子并“聆听”它们吸收的光的频率。“就像乐器的声音可以告诉你它的物理特性一样，红外光谱中编码的分子共振频率可以告诉我们分子的结构和旋转动力学，”刘说。研究人员并没有以物理方式使分子旋转得越来越快，而是探测了许多 C60 分子的气相样品，其中一些分子快速旋转，一些旋转缓慢。所得的红外光谱包含分子在不同旋转速度下的快照。“将这些痕迹拼接在一起生成了完整的光谱，揭示了分子遍历性演化(或破坏)的全貌，”叶团队的博士后研究员迪娜·罗森伯格(Dina Rosenberg)阐述道。

通过这个过程，研究人员发现了 C60 的惊人行为：以 2.3 GHz(每秒十亿转)的速度旋转使其遍历。该遍历相持续到 3.2 GHz，此时分子破坏遍历性。随着分子旋转速度加快，它会在 4.5 GHz 处恢复遍历状态。这种奇特的转换行为让研究人员感到惊讶，因为遍历性转换通常仅在能量沿一个方向增加时发生。出于好奇，团队进一步深入研究，以了解这种行为的起源。

遍历性破坏——量子足球、飞盘和足球

通过分析红外光谱，研究人员可以推断出分子因旋转而引起的变形。刘先生解释道：“就像直线加速赛车的轮胎转速越高，轮胎鼓起的程度就越大一样，C60的转速决定了它的结构变形。红外光谱表明，当 C60 旋转速率达到 2.3 GHz 时，会出现两种可能性：它可以展平成飞盘形状或拉长成足球形状。如果绕五边形旋转，则发生前者;如果绕六边形旋转，则发生后者(图 1D)。当 C60 达到 3.2 GHz 时，六边形和五边形旋转会导致类似足球的变形(图 1E)。在 4.5 GHz 时，六边形旋转会产生类似飞盘的变形，而五边形旋转会产生类似足球的变形。” 事实证明，

打破遍历性但不打破对称性

在气相中，C60 分子碰撞的频率非常低，以至于它们的行为就好像它们是孤立的一样，这意味着 C60 中每个碳原子的不可区分性变得很重要。因此，围绕任何五边形旋转分子相当于围绕任何其他五边形旋转分子(参见图 1D 中的红色 X)。同样，绕任何六边形旋转分子相当于绕任何其他六边形旋转(参见图 1D 中的蓝色 X)。正如乙烯一样，C60 碳原子的量子不可区分性恢复了五边形和六边形旋转扇区的对称性。然而，研究人员的数据表明，分子的旋转轴从未在扇区之间切换。

数据显示了围绕单轴旋转隔离的两个原因。在低于 3.2 GHz 和高于 4.5 GHz 的旋转速率下，由于能量守恒，五边形和六边形旋转扇区是隔离的。“(由于其质量)旋转足球比飞盘需要更多的能量，”刘说。在此范围内，C60 分子是遍历的，因为五角形和六角形扇区探索不同能量范围内的所有可能状态，就像乙烯的情况一样。这对应于图 1D 能量表面中的红色和蓝色十字存在于不同能量值的事实。

在 3.2 和 4.5 GHz 之间的旋转速率下，五边形和六边形扇区存在于相同的能量范围内。“这是因为旋转六边形和五边形足球需要相同的能量，”刘说。“尽管如此，由于能量障碍，C60 仍然无法在两个旋转区域之间切换——同样的障碍也阻止足球在飞行中翻转。因此，在这种情况下，C60 在不破坏对称性的情况下破坏了遍历性。这种遍历性破缺而不对称性破缺的机制，可以简单地用旋转分子的变形来理解，这让我们感到非常惊讶，”刘说。这些结果揭示了遍历性破缺但对称性破缺的罕见例子，从而进一步深入了解系统的量子动力学。

正如研究人员推测的那样，许多其他分子物种正在等待使用该团队的新技术进行详细研究。“分子可能会带来更多惊喜，我们很高兴能发现它们。”