Физики впервые составили «молекулярные отпечатки» двух редких изотопов германия

Исследователи Томского политехнического университета в составе международной группы впервые детально описали, как молекулы двух редких изотопов германия поглощают инфракрасное излучение. На основе полученных данных они создали «карту линий» — набор уникальных спектроскопических признаков, по которым вещество можно обнаружить даже в многокомпонентной газовой смеси.

Актуальность работы связана с тем, что в научной литературе до сих пор отсутствовали точные спектроскопические данные для различных изотопов германия. Дело в том, что замена одного изотопа на другой меняет массу молекулы, что приводит к сдвигу частот колебаний и вращений и, как следствие, к изменению всего инфракрасного «рисунка» вещества. Понимание этих изменений критически важно для астрофизики и планетологии — например, при поиске молекул в атмосферах планет, — а также для производства сверхчистых изотопических разновидностей германия, используемых в квантовых технологиях и современной электронике.

Эксперимент на высокообогащённых образцах

Ученые ТПУ вместе с коллегами провели исследование двух высокообогащённых изотопологов: 72GeH₄ с обогащением 99,9530 % и 73GeH₄ с обогащением 99,896 %. Спектры молекул регистрировали с помощью Фурье-спектрометра высокого разрешения в диапазоне 1800–4500 см⁻¹, что позволило различить близко расположенные спектральные линии.

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования России (проекты FSWW–2026–0046, FFSR–2025–0003 и FFUF–2024–0016). Результаты опубликованы в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (Q3, IF: 2,0).

Сложная структура спектров и математическая модель

«Молекулы германия относятся 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 внешнего излучения, молекула может перейти из одного квантового состояния в другое. Каждому такому переходу соответствует своя спектральная линия. Мы анализировали широкий диапазон, особое внимание уделяя области 2300–3200 см⁻¹. Это очень сложная область, где находятся 24 сильно взаимодействующие друг с другом полосы поглощения», — поясняет руководитель проекта, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Олег Уленеков.

Для расчета спектроскопических характеристик изотопов использовалась модель эффективного гамильтониана. Она позволила объединить 7756 спектральных переходов у изотопа 73GeH₄ и 8510 переходов у изотопа 72GeH₄ в единую физическую картину. С помощью специально разработанного математического аппарата исследователи сопоставили конкретным линиям квантовые числа, рассчитали энергии уровней и показали, как меняются резонансные взаимодействия при замене изотопа.

В итоге определено 113 спектроскопических параметров для 73GeH₄ и 72 параметра для 72GeH₄. Полученная модель — не просто набор отдельных измерений, а надежная система, описывающая множество взаимодействий между состояниями.

«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 ТПУ Ольга Громова и Елена Бехтерева.

В работе участвовали ученые из Томского политеха, Института химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых РАН (Нижний Новгород), Института прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) и Хэйлунцзянского университета (Харбин, Китай). Разработанные модели и подходы могут стать основой для будущих исследований в области спектроскопии изотопов и их применения в науках о планетах и новых технологиях.