Phổ phân tử đơn cho thấy hiệu ứng đồng vị trong hydro bị giới hạn ở picocavity
của Viện Khoa học Tự nhiên Quốc gia
Sự tán xạ Raman của một phân tử hydro trong picocavity plasmonic. Tín dụng: Takashi Kumagai
Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã thành công trong việc quan sát quang phổ phân tử đơn của hydro (H2) và deuterium (D2) bị giới hạn trong picocavity. Picocavity được hình thành giữa một đầu nano bạc và một chất nền tinh thể đơn bạc trong điều kiện chân không cực cao và cực lạnh, sử dụng phổ Raman tăng cường đầu (TERS).
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Nhóm nghiên cứu do Akitoshi Shiotari của Viện Fritz Haber thuộc Hội Max Planck (Đức), Mariana Rossi của Viện Max Planck về Cấu trúc và Động lực học của Vật chất (Đức) và Takashi Kumagai của Viện Khoa học Phân tử/SOKENDAI (Nhật Bản) dẫn đầu.
Trong những năm gần đây, tương tác ánh sáng-vật chất trong phạm vi thể tích nguyên tử, được gọi là picocavity, đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng trong khoa học nano và công nghệ nano. Trường điện từ cực kỳ hạn chế do cộng hưởng plasmon tạo ra hiện được coi là nền tảng đầy hứa hẹn cho các phép đo ở quy mô nguyên tử và công nghệ quang tử lượng tử.
Trong nghiên cứu này, phân tử nhỏ nhất—hydro—bị hạn chế trong picocavity và được nghiên cứu bằng TERS có độ phân giải cao. Điều này cho phép quang phổ phân tử picometric phân giải các chế độ rung động và quay của nó với độ chi tiết chưa từng có, tiết lộ cách cấu trúc và các đặc tính rung động của một phân tử đơn lẻ bị ảnh hưởng bởi sự hạn chế không gian cực độ của picocavity.
Hơn nữa, bằng cách điều chỉnh chính xác khoảng cách khe hở giữa đầu bạc và chất nền bạc, tương tác tinh tế với phân tử được thay đổi. Kết quả là, người ta phát hiện ra rằng chỉ có chế độ rung động của H2, chứ không phải D2, thể hiện sự thay đổi đáng kể, chứng minh hiệu ứng phụ thuộc đồng vị rõ rệt—không thể nắm bắt được bằng quang phổ Raman trung bình tổng thể hoặc các quang phổ rung động thông thường khác.
Nguồn: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.206901
Để làm sáng tỏ nguồn gốc của hiệu ứng đồng vị không tầm thường này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng lý thuyết bằng cách sử dụng lý thuyết hàm mật độ (DFT), động lực học phân tử tích phân đường (PIMD) và mô hình Hamiltonian. Các phép tính này cho thấy rằng quang phổ cực kỳ nhạy cảm với thế tương tác cục bộ mà các phân tử trải qua, chủ yếu là tương tác van der Waals.
Sự dịch chuyển lượng tử của hạt nhân—một hiệu ứng trương nở lượng tử ở nhiệt độ thấp—đóng vai trò quyết định trong những khác biệt được quan sát thấy, ưu tiên các vị trí cân bằng riêng biệt cho H2 và D2 trong picocavity, dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong quang phổ rung động của chúng.
Tiến sĩ Rossi cho biết, "Chúng tôi rất ngạc nhiên về cách ghép rung động và hiệu ứng lượng tử hạt nhân hoạt động song song với nhau để gây ra hiệu ứng đồng vị lớn như vậy."
Tiến sĩ Shiotari cho biết, "Công trình này giúp chúng ta hiểu sâu hơn về tương tác ánh sáng-phân tử và động lực lượng tử của các phân tử hấp phụ trong không gian cực kỳ hạn chế, thể hiện bước tiến đáng kể trong quang phổ phân tử chính xác".
Giáo sư Kumagai nói thêm, "Nhìn về phía trước, các phương pháp và hiểu biết được phát triển ở đây dự kiến sẽ đóng góp vào quá trình phân tích tiên tiến các vật liệu lưu trữ hydro và phản ứng xúc tác, cũng như phát triển các công nghệ điều khiển lượng tử cho từng phân tử—qua đó hỗ trợ công nghệ cảm biến nano thế hệ tiếp theo và công nghệ quang tử lượng tử".
Thông tin thêm: Akitoshi Shiotari và cộng sự, Picocavity-Enhanced Raman Spectroscopy of Physisorbed H2 and D2 Molecules, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.206901
Thông tin tạp chí: Physical Review Letters
Được cung cấp bởi Viện Khoa học Tự nhiên Quốc gia
