科学家们通过使用先进的红外光谱技术，在不破坏对称性的情况下观察到C60分子旋转中独特的遍历性破缺行为。这一发现为量子系统动力学提供了新的洞察，并推动进一步的分子研究。
由JILA和NIST的研究员、与JILA和NIST的研究员David Nesbitt合作的科研人员以及来自内华达大学雷诺分校和哈佛大学的科学家组成的研究小组，在高度对称的C60分子中观察到了新颖的遍历性破缺现象，该分子由60个碳原子按照“足球”图案（包括20个六边形面和12个五边形面）的顶点排列而成。他们的研究结果揭示了C60旋转中的遍历性破缺。令人惊讶的是，他们发现这种遍历性破缺发生在没有对称性破缺的情况下，而且随着分子旋转的速度越来越快，这种遍历性破缺甚至可以打开或关闭。理解遍历性破缺可以帮助科学家设计更优化的能量和热传递材料。这项研究于8月17日发表在《科学》杂志上。
许多日常系统，如热在煎锅中的传播和烟雾弥漫在房间中的情况，都表现出“遍历性”。换句话说，物质或能量随着时间均匀分布到系统的所有部分，因为能量守恒允许这样做。另一方面，理解系统如何违反（或“破坏”）遍历性，比如磁体或超导体，有助于科学家理解和设计其他异态物质状态。
在许多情况下，遍历性破坏与物理学家所称的“对称性破缺”息息相关。例如，磁体中原子的内部磁矩都指向同一个方向，要么“上”要么“下”。尽管具有相同的能量，这两种不同的构型却被一个能量壁垒所分离。 “对称性破缺”指的是系统呈现出比物理定律所允许的更低对称性的构型，例如所有磁矩都默认指向“下”。与此同时，由于磁体已经永久地定居在两种等能量构型中的一种，它也破坏了遍历性。
对称破缺：磁铁和足球
为了理解旋转遍历性破缺，博士后研究员和首席作者李刘解释道：“想象一下以紧密顺时针螺旋抛出的足球。你永远不会看到足球在飞行中突然翻转180度，从一个低能量的90度构型变成180度的构型！这在图1B和1C中有所展示。这将需要克服一个能量壁垒。因此，一个旋转的足球在自由飞行中保持它的端到端方向，像磁铁一样，破坏了遍历性和对称性。”
然而，与足球不同，孤立分子必须遵守量子力学的规则。具体地说，乙烯分子（足球的量子类比）的两端是不可区分的（图1C）。因此，将旋转的乙烯分子以180度端对端方式重新定向也需要克服一个能量壁垒；初始状态和最终状态是不可区分的。该分子没有两种截然不同的端到端方向可供选择，对称性和遍历性得到恢复，这意味着该分子的基态是最终状态和初始状态的组合，或者说是叠加。
C60的红外光谱学
为了研究C60分子的旋转动力学，研究人员采用了叶氏小组在2016年首创的技术：将缓冲气体冷却与灵敏的谐腔增强型红外光谱学相结合。利用这种技术，研究人员比先前实现的灵敏度高了1000倍地测量了C60的红外光谱。该技术涉及到用激光照射C60分子，并“倾听”它们吸收的光频率。
刘说：“就像乐器的声音可以告诉你它的物理特性一样，分子的共振频率，编码在它的红外光谱中，可以告诉我们有关分子的结构和旋转动力学。”研究人员并不是物理上越来越快地旋转分子，而是探测旋转速度快和慢的许多C60分子的气相样品。所得的红外光谱包含了分子在不同旋转速度下的快照。
叶氏小组的博士后研究员丁娜·罗森伯格进一步解释说：“将这些曲线拼接在一起生成完整的光谱，揭示了分子遍历性演化（或破缺）的完整图景。”通过这个过程，研究人员发现了C60的一个惊人行为：以2.3 GHz（每秒十亿次旋转）的速度旋转它会具有遍历性。这种遍历性相态一直持续到3.2 GHz，然后分子破坏了遍历性。随着分子旋转得更快，它又恢复了遍历性，直到4.5 GHz。这种奇特的切换行为让研究人员感到惊讶，因为通常只有当能量增加时并且只有一个方向才会发生遍历性转变。出于好奇，研究团队进一步探索光谱以了解这种行为的根源。
遍历性破缺 - 量子足球、飞盘和足球
通过分析红外光谱，研究人员可以推断分子的旋转引起的形变。正如刘所解释的那样：“就像拖车比赛车的轮胎在转动得更快时会更加膨胀，C60的旋转速率决定了它的结构变形。红外光谱暗示，当C60的旋转速率达到2.3 GHz时存在两种可能性：它可以扁平成飞盘形状，或者伸展成足球形状。前一种情况发生在它围绕一个五边形旋转时，后一种情况发生在它围绕一个六边形旋转时（图1D）。当C60达到3.2 GHz时，六边形和五边形旋转会产生类似足球的变形（图1E）。在4.5 GHz时，六边形旋转产生类似飞盘的变形，而五边形旋转产生类似足球的变形。”事实证明，C60的奇特遍历性转变完全可以归因于分子旋转引起的这种变形序列。
遍历性破缺但不破坏对称性
在气相中，C60分子碰撞得很少，以至于它们表现得好像是孤立的，这意味着C60中的每个碳原子的不可区分性变得重要。因此，围绕任何一个五边形旋转分子等同于围绕其他任何一个五边形旋转（见图1D中的红色X）。同样，围绕任何一个六边形旋转分子等同于围绕其他任何一个六边形旋转（见图1D中的蓝色X）。正如在乙烯中一样，C60的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，研究人员的数据显示分子的旋转轴从未在扇区之间切换。
数据显示了围绕单个轴的这种旋转隔离的两个原因。在3.2 GHz以下和4.5 GHz以上的旋转速率下，由于能量守恒，五角形和六角形旋转扇区是隔离的。刘说：“旋转一个足球比旋转一个飞盘需要更多的能量[因为它的质量]。”在这个范围内，C60分子是遍历性的，因为五角形和六角形扇区在不同能量范围内探索所有可能的状态，就像乙烯的情况一样。这对应于图1D中的能量表面上红色和蓝色的交叉存在于不同能量值。
在3.2 GHz和4.5 GHz之间的旋转速率下，五角形和六角形扇区存在于相同的能量范围。刘说：“这是因为旋转一个六角形足球和一个五角形足球可能需要相同的能量。”然而，C60仍然无法在两个旋转扇区之间切换，因为存在一个能量壁垒- 这个能量壁垒也妨碍了足球在飞行中翻转的情况。因此，在这个范围内，C60破坏了遍历性但没有破坏对称性。这种遍历性破坏而不破坏对称性的机制，可以简单地理解为旋转分子的变形，对我们来说是完全出乎意料的，”刘说。这些结果揭示了遍历性破坏而不破坏对称性的罕见例子，进一步揭示了该系统的量子动力学。正如研究人员推测的，许多其他的分子物种等待着使用这个团队的新技术进行详细研究。“分子很可能隐藏着更多的惊喜，我们对发现它们感到兴奋。”
