Молекулы воды удалось разделить по спиновым характеристикам

Физики из Израильского технологического института отделили спиновые изомеры воды друг от друга. Появление изомеров воды обусловлено тем, что молекулы водорода могут принимать две разные формы: в ортоводороде спины двух протонов сонаправлены, а в параводороде — антипараллельны. Соотношение изомеров и их физические свойства (несколько различающиеся) играют заметную роль в самых разных исследованиях,    однако доступный способ отделения ортоводы от параводы до сих пор не найден. В 2002 году российские учёные Владимир Тихонов и Александр Волков из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, казалось, решили задачу в опыте с водяным паром, но другие группы воспроизвести описанные результаты не смогли.
Израильские исследователи пошли по классическому пути, который был проложен Отто Штерном и Вальтером Герлахом около девяноста лет назад. Знаменитый опыт Штерна — Герлаха, изначально выполнявшийся на примере атомов серебра, иллюстрировал основные положения квантовой механики и служил доказательством того, что у атомов действительно есть спин. Суть методики заключалась в следующем: пучок атомов серебра пропускали через неоднородное магнитное поле, напряжённость которого изменялась по оси, перпендикулярной оси пучка. Атомы отклонялись от первоначальной траектории и расходились в разные стороны, причём новое направление движения зависело от направления спина.
В современном варианте опыта, рассчитанном на молекулы воды, всё несколько сложнее. Система из двух атомов водорода даёт четыре разные спиновые конфигурации, и для того, чтобы выделить одну из них, авторам пришлось пропускать молекулярный пучок через гексапольное магнитное поле. Оно действует подобно линзе, «собирая» молекулы с определёнными параметрами в одной точке и направляя остальные по расходящимся траекториям.
Установка для разделения изомеров (фото Science / AAAS).

Пучок также необходимо было замедлить, чтобы молекулы успели разойтись на сколько-нибудь заметное расстояние. Из-за этого в опыте использовалась смесь водяного пара и криптона, в которой доля благородного газа составляла 97%; более тяжёлые атомы криптона снижали скорость всего пучка. Когда всё было учтено, на расстоянии около 2 метров от источника исследователи получили пучок диаметром в 1,5 мм, в котором содержалось 97% ортоводы.
В ближайшем будущем израильтяне планируют выяснить, на какое время сохраняется такое разделение изомеров. Этот вопрос важен с практической точки зрения: применение образцов воды с известными и жёстко заданными спиновыми характеристиками расширит возможности известной методики ядерного магнитного резонанса.