近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所刘晓迪研究员与Eugene Gregoryanz研究员团队，在稠密氢分子中首次观测到符合ΔJ=0拉曼选择定则、却长期未被发现的转动激发。该研究成果以“Observation of ΔJ=0 Rotational Excitation in Dense Hydrogens”为题，发表在Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 2026, 136, 016101)上。
氢分子（H2）是量子力学中最基础、最典范的模型体系之一，其简单的二体结构为理解量子转动与振动提供了清晰的框架。根据拉曼选择定则，氢分子转动激发仅允许ΔJ=±2与ΔJ=0的跃迁。ΔJ=±2跃迁已在氢、氘及其混合物中被实验观测到，而ΔJ=0跃迁在气态/流体态中因能级简并表现为零频率，难以探测。在固态下，六方晶体场会解除能级简并，使ΔJ=0跃迁具有非零能量。然而因其跃迁频率较低，被瑞利线所掩盖，此前始终缺乏实验观测证据。
研究团队自主搭建了高性能低波数高压低温拉曼光谱系统，在此系统上研究团队前期已进行了系列的高压氢的研究工作：获得压力至350 GPa的氢体系高压低温相图，发现了新的量子相相II’和核量子效应主导的反常相图，更新了氢和氘存在三十年的高压低温相图 [ Phys. Rev. Lett. 119, 065301 (2017), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 117, 13374 (2020)，Phys. Rev. B. 111, 024109 (2025)]。
在此基础上，研究团队对系统进行进一步优化，对高压稠密氢（H2）、氘（D2）及其混合物开展了系统的压力-温度拉曼光谱测量，首次明确观测到了ΔJ=0这一“被藏起来的”激发信号。研究发现，在气态时，该激发拉曼位移为零；但在固态中，该激发拉曼位移偏离了零值。在约25 GPa、10 K条件下，氢、氘及其混合物分子的拉曼位移均出现在约50 cm-1处。这一现象表明ΔJ=0跃迁频率不依赖于同位素质量，其拉曼激发来源于同一个转动能级间的跃迁，是一种区别于传统谐振子与量子转子的全新激发模式，突破了常规认知。
该工作不仅实现了对氢分子中最后一个符合拉曼选择定则的实验观测，证明了晶体场下量子选择定则的完整表现形式，更为极端条件下基础量子体系所涌现的新颖物理现象提供了典型范例。此外，该成果还深化了对氢这一关键量子体系的理解，并为探索其他高密度分子体系中的新奇量子态提供了新的实验技术方案和理论基础。
合肥物质院为论文第一单位，Eugene Gregoryanz研究员和刘晓迪研究员为论文共同通讯作者，博士生冯洁为论文第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院青年创新促进会、合肥物质院院长基金等项目的支持。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/7m51-n6w7
图1. ΔJ=0的产生机理。左半部分是氢分子气态/流体态时转动能级图，右半部分是加压后发生固化的能极分裂示意图。
图2. H2、D2和H2+D2在10K下随压力的变化的拉曼光谱。
