Un objectif central de la physique chimique et moléculaire est de comprendre les molécules comme des systèmes de mécanique quantique. La dynamique interne complexe de tels systèmes évolue sur de larges échelles d'énergie et de temps, exposé par une variété d'électronique, vibratoire, degrés de liberté de rotation et de rotation. Depuis sa découverte originale, les propriétés uniques du buckminsterfullerène (C 60 ) ont suscité une intense activité de recherche. Notamment, la molécule (C 60 ⁺ ) a été identifié comme un constituant des énigmatiques bandes interstellaires diffuses, qui se trouvent dans les spectres de lumière stellaire rougie dans l'espace. Structurellement, l'architecture unique de la cage en carbone en fait un sujet attrayant en chimie médicinale pour dériver des agents thérapeutiques potentiels.

Le Buckminsterfullerene ressemble à une cage avec une structure annulaire fusionnée (icosaèdre tronqué) ressemblant à un ballon de football. Composé de 20 hexagrammes et 12 pentagones (60 sommets et 32 ​​faces), la molécule contient un atome de carbone aux sommets et une liaison covalente le long de chaque bord de polygone. Les membres de la famille des fullerènes sont étudiés dans un large éventail de disciplines de recherche pour leur physique attrayant, chimique, propriétés quantiques et biologiques.

Par exemple, la spectroscopie résolue quantique totale de C isolé 60 molécules sont d'un intérêt de longue date. De telles observations ont été difficiles à obtenir jusqu'à présent, depuis C 60 les molécules doivent être préparées en phase gazeuse froide à des densités suffisamment élevées. Dans une étude récente, maintenant publié dans Science , les physiciens Bryan Changala et ses collègues rapportent une haute résolution, observations de spectroscopie d'absorption infrarouge de C 60 dans la région spectrale de 8,5 microns (correspondant à 1180 à 1190 nombre d'onde).

Dans les expériences, l'équipe a combiné le refroidissement par gaz tampon cryogénique et la spectroscopie à peigne à fréquence directe améliorée par cavité pour observer la transition rovibrationnelle (rotation-vibrationnelle) résolue par l'état quantique. Les molécules dépensent généralement plus d'énergie pour vibrer que pour tourner, ainsi une bande d'absorption vibrationnelle englobe de nombreuses transitions de rotation simultanées, bien qu'ils aient tendance à s'estomper lorsqu'une molécule a plus de quelques atomes.

Les résultats de l'étude ont montré des modèles d'intensité statistique de spin nucléaire caractéristiques, pour confirmer l'indiscernabilité des 60 atomes de carbone-12. Les structures rovibrationnelles ont codé d'autres détails de la rare symétrie icosaédrique de la molécule. Changala et al. refroidi avec succès C 60 fullerènes pour obtenir la résolution rotationnelle dans une bande d'étirement C-C. Le succès expérimental dépendait d'une optimisation minutieuse du flux de gaz tampon argon. Les caractéristiques résolues à l'état quantique observées peuvent aider à caractériser les composés de type fullerène dans des environnements exotiques tels que l'espace interstellaire.

Buckminsterfullerène C 60 a été découvert par Kroto et al. en 1985. Suite à sa découverte, la spectroscopie infrarouge (IR) et par résonance magnétique nucléaire (RMN) 13C a confirmé sa structure icosaédrique en cage. La compréhension scientifique de la molécule a été encore avancée via des techniques spectroscopiques et analytiques ultérieures, y compris la diffraction des rayons X et des électrons, diffusion Raman et neutrons, Isolation matricielle spectroscopie IR et spectroscopie photoélectronique.

La spectroscopie a joué un rôle clé dans la détection astronomique de C 60 et ses dérivés. Cependant, à ce jour, il n'y a eu aucun rapport sur les mesures rovibrationnelles résolues par l'état quantique de C 60 molécules. Les expériences rapportées par Changala et al., donc établir C 60 comme la plus grande molécule et le seul exemple de symétrie icosaédrique rare pour laquelle un spectre complet d'états quantiques internes a été observé.

La bande vibratoire de 8 à 5 µm a été ciblée dans l'étude car il s'agit du mode actif IR à plus faible énergie dans la région de longueur d'onde accessible. Dans les expériences, un four en cuivre 950 K a sublimé le solide C 60 échantillons pour générer des molécules en phase gazeuse avec une énergie interne moyenne de 6-8 eV par molécule. Les échantillons peuplés 10 ²⁶ à 10 ³⁰ états quantiques vibrationnels.

Les molécules chaudes ont ensuite coulé dans une cellule ancrée à un doigt froid cryogénique, où ils ont été thermalisés via des collisions avec des atomes de gaz tampon froid introduits dans la cellule. Les physiciens ont interrogé les molécules en phase froide à l'aide de la spectroscopie de peigne à fréquence directe améliorée par la cavité (CE-DFCS) en couplant un peigne de fréquence dans une cavité optique de haute finesse entourant la cellule froide pour générer la lumière de peigne de fréquence IR à ondes longues (LWIR). centré près de 8,5 µm.

L'intensité de chaque dent de peigne transmise à travers la cavité a été lue à l'aide d'un interféromètre à transformée de Fourier à bras de balayage à large bande. Changala et ses collaborateurs ont d'abord tenté d'observer la phase gazeuse froide C 60 en utilisant des conditions de gaz tampon d'hélium à basse pression, similaire aux travaux précédents, mais n'a pas pu produire une absorption détectable. Les résultats suggèrent qu'un nombre plus élevé de collisions et un transfert d'énergie plus efficace par collision seraient nécessaires pour thermaliser C 60 à son état vibratoire fondamental. Par conséquent, un suffisamment dense, froid C 60 échantillon a été produit dans l'étude en (1) augmentant la masse de gaz tampon en passant de l'hélium à l'argon et (2) en optimisant soigneusement le flux de gaz tampon ainsi que le positionnement du four par rapport à la fente d'entrée. Le spectre acquis dans ces conditions présentait une structure fine rovibrationnelle bien résolue avec des largeurs de raie étroites.

La large bande passante spectrale du peigne de fréquence a permis l'observation entre les signaux étroits et larges qui couvraient toute la largeur de la bande vibratoire observée. La structure fine observée dans le spectre infrarouge a fourni des détails fondamentaux de la structure mécanique quantique de C 60 . Les énergies des états ont été déterminées par des hamiltoniens rotationnels effectifs pour chaque état vibrationnel. Les résultats ont également indiqué des exemples exceptionnels de statistiques de spin nucléaire à l'œuvre.

Les scientifiques ont mené des expériences pour obtenir des vues détaillées de la bande infrarouge mesurée. Lors de la détection des transitions de branche R ; où le nombre quantique rotationnel dans l'état fondamental était un de plus que le nombre quantique rotationnel dans l'état excité (c'est-à-dire ∆J =+1). Les modèles d'intensité attendus de la simulation concordaient avec le spectre mesuré. Les modèles observés étaient une conséquence de l'impossibilité de distinguer la mécanique quantique de l'arrangement icosaédrique parfait des noyaux de carbone constituant ¹² C 60 .

Dans la région de branche Q du spectre, où le nombre Q rotationnel à l'état fondamental était similaire au nombre Q rotationnel à l'état excité (c'est-à-dire ∆J =0), les chercheurs ont observé plusieurs caractéristiques. Ils ont attribué la caractéristique de numéro d'onde la plus élevée à la branche Q du ¹² C 60 isotopologue dans son état vibratoire fondamental. Les caractéristiques restantes dans la région de la branche Q n'ont pas été définitivement attribuées, mais les scientifiques pensaient qu'ils étaient dérivés du seul substitut ¹² C 59 ¹³ C isotopologue. Bien que l'abondance naturelle de ¹³ C n'était que de 1:1%, les 60 sites de substitution équivalents sur la molécule conduisent à un taux particulièrement élevé ¹² C 59 ¹³ C : ¹² C 60 rapport d'environ 2:3.

Alors que l'apparence qualitative de la branche R et Q mesurée était cohérente avec la simulation, dans la branche P, les résultats étaient en désaccord substantiel. La branche P est l'endroit où le nombre quantique rotationnel à l'état fondamental est inférieur de un au nombre quantique rotationnel à l'état excité (c'est-à-dire ∆J =-1). La simulation d'ordre zéro n'a pas réussi à capturer la position du nombre de transitions observées. Cela était probablement dû au fait que les termes de distorsion centrifuge d'ordre élevé n'étaient pas inclus dans le spectre simulé.

Les expériences décrites menées par Changala et ses collègues pointent vers une direction passionnante de la recherche sur le fullerène, en raison de la large pertinence des molécules de l'espace à la médecine. Les applications pratiques du refroidissement par gaz tampon introduites dans l'étude ont également établi la possibilité d'une répétabilité expérimentale à l'avenir.

Un travail supplémentaire peut utiliser la vibration, spectroscopies électroniques ou autres sur des fullerènes plus gros tels que C 70. Les expériences peuvent également inclure des endofullerènes dans lesquels un atome ou une molécule est encapsulé dans une cage de fullerène fermée, ou même inclure pur ¹³ C 60 comme exemple parfait d'un spin ^-1/2 réseau sur un réseau sphérique. La physique chimique et moléculaire avec la spectroscopie de précision de telles cibles est une première étape vers la préparation d'un seul état quantique, avant de contrôler expérimentalement de grands systèmes moléculaires.

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