Международная команда ученых под руководством Акитоши Шиотари (Институт Фрица Хабера, Германия), Марианы Росси (Институт структуры и динамики материи Макса Планка, Германия) и Такаши Кумагаи (Институт молекулярных наук/SOKENDAI, Япония) впервые детально изучила поведение мельчайших молекул — водорода (H₂) и дейтерия (D₂) — в сверхмалой полости нанометрового размера.

Эксперимент проводили в условиях глубокого холода и сверхвысокого вакуума. Ученые создали так называемую пикополость между серебряным наноострием и серебряной подложкой, а затем с помощью усиленной рамановской спектроскопии (TERS) наблюдали за колебаниями и вращением отдельных молекул.

Оказалось, что в таком тесном пространстве молекулы ведут себя необычно. Например, если менять зазор между острием и подложкой, колебания водорода резко усиливаются, а дейтерия — почти нет. Это различие связано с квантовыми эффектами: ядра водорода легче, поэтому они сильнее «размазываются» в пространстве и иначе взаимодействуют с полостью.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Мы не ожидали, что квантовые эффекты и колебания молекул так сильно зависят от изотопа, — признается Мариана Росси.

Чтобы разобраться в природе этого явления, ученые провели компьютерное моделирование. Оно показало, что ключевую роль играют слабые ван-дер-ваальсовы силы и квантовая «размытость» ядер.

Этот эксперимент — шаг к точному управлению отдельными молекулами, что важно для квантовых технологий и катализа, — говорит Такаши Кумагаи.

Польза исследования

• Фундаментальная наука: помогает понять, как ведут себя молекулы в экстремально малых пространствах, что важно для квантовой физики.
• Водородная энергетика: может улучшить методы хранения водорода, так как показывает, как он взаимодействует с металлами.
• Наносенсоры: открытие пригодится для сверхчувствительных детекторов молекул.
• Квантовые технологии: дает новые инструменты для управления молекулами на атомарном уровне.

Хотя эксперимент хорош, остается вопрос: насколько эти результаты применимы вне сверхохлажденного вакуума? В реальных условиях (например, в катализе) молекулы сталкиваются с тепловыми шумами и другими частицами — не помешает ли это использовать открытие на практике?

Ранее ученые сжали водород и получили новую стабильную форму.