Ατομική και Πυρηνική Φυσική: Ανίχνευση ισχυρά απαγορευμένης μετάβασης μεταξύ δυο καταστάσεων πυρηνικών σπιν

Ορισμένα συμμετρικά μόρια παρουσιάζονται σε δυο καταστάσεις, τις ορθό- και παρά-, οι οποίες διαφέρουν στη στοίχιση του πυρηνικού τους σπιν. Μεταβάσεις με διαμεσολάβηση φωτονίου μεταξύ αυτών των ισομερών σπιν απαγορεύονται ισχυρά, όμως οι ερευνητές παρατήρησαν τώρα τέτοιες μεταβάσεις για πρώτη φορά. Μελετώντας ένα μόριο με ευνοϊκή ανάμειξη ορθό- και παρά- καταστάσεων, η ομάδα ανίχνευσε μικροκυματική εκπομπή από διάφορες ορθό-παρά μεταβάσεις και παρατήρησε εντάσεις 1000 φορές μικρότερες από αυτές των επιτρεπόμενων μεταβάσεων.

Οι πιο οικείες ορθό- και παρά- καταστάσεις είναι αυτές του μορίου του υδρογόνου, Η2. Σε θερμοκρασία δωματίου, περίπου το 75% των μορίων υδρογόνου είναι σε ορθό- κατάσταση, με τα σπιν των δυο πυρήνων υδρογόνου σε συμμετρικό σχηματισμό (δείχνοντας στην ίδια κατεύθυνση). Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, μοριακές συγκρούσεις μετατρέπουν τα περισσότερα ορθό-Η2 σε αντισυμμετρικά παρά-Η2, καθώς έχουν ελαφρώς λιγότερη ενέργεια. Ωστόσο, ορθό-παρά μεταβάσεις, που συμβαίνουν μέσω ακτινοβολίας (όπου ένα μόνο μόριο εκπέμπει ή απορροφά ένα φωτόνιο) είναι εξαιρετικά απίθανες, με έναν προβλεπόμενο ρυθμό αυθόρμητης εκπομπής ανά μόριο Η2 μικρότερο από μια φορά ανά την ηλικία του σύμπαντος.

Ο Hideto Kanamori, από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο και οι συνάδελφοί του μελέτησαν το διχλωριούχο δισουλφίδιο (S2Cl2), ένα ελικοειδώς συστρεμμένο μόριο με σχετικά ισχυρές υπέρλεπτες αλληλεπιδράσεις μεταξύ της πυρηνικής τετραπολικής ροπής και του μοριακού του ηλεκτρικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, ορισμένες περιστροφικές καταστάσεις στο S2Cl2 είναι ανάμικτες ορθό- και παρά- πυρηνικές καταστάσεις. Η ομάδα έδειξε ότι μέσω αυτού του μίγματος, μια απαγορευμένη ορθό-παρά μετάβαση μπορεί να «δανείζεται» ένταση από μια επιτρεπόμενη ορθό-ορθό ή παρά-παρά μετάβαση. Η ομάδα επαλήθευσε αυτή την πρόβλεψη με την παρατήρηση γραμμών μικροκυματικής εκπομπής που είναι χαρακτηριστικές για διάφορες απαγορευμένες μεταβάσεις. Ο προκύπτων ρυθμός ακτινοβόλου μετάβασης ενός απομονωμένου μορίου S2Cl2 είναι μια φορά ανά λίγες χιλιάδες χρόνια.