基于第一性原理的水的核自旋禁戒转振跃迁

水分子以两种核自旋异构体存在，其区别在于氢原子总核自旋的值，即 para-H$_2$O 为 $I=0$，ortho-H$_2$O 为 $I=1$。由于仅约 $\sim30$ kHz 的微小超精细核自旋-转动相互作用，正水与仲水转振态之间的光谱跃迁极弱，迄今未被观测到。我们报道了针对 H$_2$$^{16}$O 中由核自旋-转动和自旋-自旋相互作用引起的超精细效应与正-仲跃迁的首次全面理论研究。我们还展示了新近开发的用于多原子分子超精细效应模拟的通用变分方法的细节。我们对水的结果表明，室温强度在 $10^{-31}$ cm/molecule 量级的、最强的正-仲跃迁比以前预测值大约一个大数量级，并应能被当前光谱实验在中红外 $\nu_2$ 以及近红外 $2\nu_1+\nu_2$ 和 $\nu_1+\nu_2+\nu_3$ 波段探测到。