基于分子吸收谱线强度变化量的精密测量研究分子的核自旋变体的分离及其相互作用转换

Nuclear-spin isomers (NSIs) are the basic form of existence of molecules. Since 1912, people have been working hard to seek proper methods to separate NSIs of hydrogen and other molecules for studying on their specific physical properties. However, the NSIs of only 8 species of molecules, including the ethylene and methanol molecules initially studied by the applicant, have been explored so far by separations the NSIs of them using just 4 methods. In this project, we will carry out a series of further researches on the NSIs of ethylene and methanol based on the precision measurement of the intensity variation of molecular absorption lines. We will 1) analyze and clarify the origin of the quantum effects of the usual light-induced drift (LID) effect in ethylene and the unusual LID effect in methanol as well as the mechanism by which the separation of the NSIs of the two molecules have been caused; 2) measure the enrichment of one NSI for each of the two molecules and measure the pressure dependence of the observed enrichment; 3) breaking through the forbidden by the electric-dipole selection rules of the molecule, study on the affects of the collision interactions between the wall of the sample cell and NSIs to the quantum process in NSIs conversions and to the conversion rate; 4) calculate the conversion rate of the NSIs of methanol and explore the new quantum theory for explanation the relation of the hyperfine interaction with the conversion rate of NSIs in the torsional-type molecules. These results will fill the knowledge gap in the studying field of molecular NSIs and provide the valuable experimental evidence for enriching the NMR signal intensity of these two molecules.

核自旋变体是分子的基本存在形式。1912年以来人们一直努力寻找能将氢气及其它许多分子的核自旋变体分离开的方法和探索它们特有的物理性质，但迄今为止仅有4种分离方法且只研究了包括申请者初步研究过的乙烯和甲醇在内的8种分子。本项目我们将基于分子吸收谱线强度变化量的精密测量系统地再研究乙烯和甲醇分子的核自旋变体。我们将1)分析阐明乙烯和甲醇分别呈现出的正常和反常光诱导漂移量子效应的起源和引起它们的核自旋变体分离过程的机理；2)测定这两种分子的各一种核自旋变体的浓缩量及其与气压的关系；3)突破电偶矩跃迁选择定则的限制，研究样品室器壁与核自旋变体的碰撞相互作用对核自旋变体间相互转换量子过程和转换率的影响；4)计算甲醇分子的核自旋变体的转换率，探索能解释扭动类分子内部的超精细相互作用与其核自旋变体转换率关系的新量子理论。研究结果将填补该领域的知识空白和为增强两种分子的核磁共振信号强度提供宝贵的实验依据。

甲醇分子有正甲醇和仲甲醇两种核自旋变体。本项目中，基于分子吸收谱线强度变化量的精密测量，我们1）研究了正和仲甲醇气体分子的分离及其相互作用与转换，在实验中观测到了它们之间在室温下的相互转换。2）探讨了其中的各种量子效应之间竞争关系的量子特征，研究了分子间相互作用和转换的量子过程及其物理机制，构筑出了内部运动为扭动类分子的核自旋变体相互转换的量子弛豫理论。3）推导出了甲醇分子的核自旋与自旋间以及核自旋与转动间的超精细相互作用微扰矩阵元及其与核自旋变体间转换率关系的数学公式，计算出的实验条件下的转换率与测量值符合得很好，相对误差仅为10%；探明了间隔小于47 MHz的两对能级对是正与仲甲醇间转换的最可几出入口。4）发现外电场大于430 V/cm的斯塔克效应就能引起这两对能级的交叉和能级间隔的减小；大于475 V/cm后，压力一定下的转换率随外电场的增加开始增大，到662 V/cm时，转换率增大了12倍；且能级交叉处对应的转换率与压力成反比关系。5）首次观察到了低压下处于无外场的室温甲醇气体分子里存在着量子芝诺效应。我们观测到的处于无外场的孤立甲醇气体分子在人们日常生活的自然环境温度中呈现量子芝诺效应尚属首次。本项目的结果是该方向的国际前沿研究成果。. 在本项目经费的资助下，我们1) 在国内外学术期刊已发表论文6篇和待发表4篇；发表会议论文8篇；2) 在国内和国际学术会议上分别做报告各6次; 3) 主办且承办国内和国际学术会议各1次；4) 在第十九届全国分子光谱学学术会议暨2016年光谱年会上获优秀墙报论文奖; 5) 2016年获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖：自然科学奖二等奖一项 (本项目主持人列第2位完成人); 6) 2人在2016年和2017年分别获山东大学本科优秀毕业论文；7) 在中国物理学会2018年秋季学术会议上获优秀墙报奖；8) 获得2018年第十五届新疆维吾尔自治区自然科学优秀学术论文三等奖；9) 2017年1人获聘新疆维吾尔自治区第四批“天山学者”特聘教授；10) 培养博士研究生6名和本科生8名。