Физики определили «молекулярные отпечатки» двух изотопов германия

В современной научной литературе нет точных спектроскопических данных разных изотопов германия. У молекулы несколько стабильных изотопов, однако замена одного изотопа на другой меняет массу молекулы, что сдвигает частоту колебания и вращений и меняет весь инфракрасный «рисунок» вещества. Понимание таких изменений крайне важно в астрофизике и планетологии при распознавании молекул в атмосферах планет, а также технологиях получения сверхчистых изотопических разновидностей германия для квантовых технологий и современной электроники.

Ученые ТПУ совместно с коллегами провели исследования двух высокообогащенных изотопологов германия — 72GeH₄ с обогащением 99,9530 % и 73GeH₄ с обогащением 99,896 %. Спектры молекул регистрировались с помощью Фурье-спектрометра высокого разрешения в диапазоне 1 800-4 500 см-1, что позволило различить близко расположенные линии спектров. Исследование поддержано Минобрнауки России (проекты FSWW–2026–0046, FFSR–2025–0003 и FFUF–2024–0016). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (Q3, IF: 2,0).

«Молекулы германия относится к классу сложных сферически-симметричных молекул тетраэдрической симметрии. Их спектры устроены очень сложно. Когда молекула поглощает инфракрасный свет, она начинает вращаться и колебаться определенным образом. Если при этом происходит поглощение молекулой внешнего излучения, то молекула может перейти из одного квантового состояния в другое. Каждому такому переходу соответствует своя спектральная линия. В своем исследовании мы анализировали широкий диапазон, особое внимание уделяя области 2 300-3 200 см-1. Это очень сложная область, где находятся 24 сильно взаимодействующие друг с другом полосы поглощения. В ней молекула может находиться сразу в большом числе близких по энергии колебательно-вращательных состояний, которые не существуют независимо, а заметно влияют друг на друга», — отмечает руководитель проекта, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Олег Уленеков.

Для расчета спектроскопических характеристик изотопов ученые использовали модель эффективного гамильтониана, которая позволила связать 7 756 спектральных переходов у изотопа 73GeH₄ и 8 510 спектральных переходов у изотопа 72GeH₄ в единую физическую картину. С помощью специально разработанного математического аппарата в ТПУ «присвоили» конкретным спектральным линиям характеристики квантовых переходов (так называемые квантовые числа), рассчитали энергии уровней и показали, как меняются резонансные взаимодействия при замене изотопа германия. В результате исследования ученые определили 113 спектроскопических параметров для изотопа 73GeH₄ и 72 параметра для 72GeH₄.

Профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ (слева направо) Елена Бехтерева, Олег Уленеков, Ольга Громова / © Пресс-служба ТПУ

«Наши исследования позволили получить не отдельные измерения, а надежную и в высокой степени точную модель, которая описывает множество взаимодействий состояний изотопов германия. Она позволит объяснить уже известные линии и рассчитать спектры там, где экспериментальные данные еще недостаточно полны», — добавляют исполнители проекта, профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Громова и Елена Бехтерева.

В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха, Института химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых РАН (Нижний Новгород), Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) и Хэйлунцзянского университета (Харбин, Китай).