Гироскопический эффект затруднил переход от вращения к поступательному движению молекул

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.

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.

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.

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.

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 суперроторы, 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.