Шесть ионов бария выстроились в плоский шестиугольник внутри ловушки Пауля — устройства, которое удерживает заряженные частицы переменными электрическими полями. Но стоило слегка изменить форму удерживающего потенциала, как кристалл перестроился: один ион сместился в центр, а остальные пять образовали вокруг него кольцо. Так выглядит изомеризация — перестройка молекулы между разными пространственными формами, — только вместо крошечной молекулы перед нами кристалл размером около десяти микрометров, в сто тысяч раз больше бензольного кольца.

Физики из Флоренции и Турина использовали этот кристалл-хамелеон как настольную модель молекулярных превращений. Меняя соотношение частот колебаний ловушки вдоль двух осей, они плавно переводили систему из одной устойчивой формы в другую. При определённых параметрах возникала область бистабильности — сосуществования двух устойчивых состояний, — где кристалл мог находиться либо в виде шестиугольника, либо в виде пятиугольника с ионом в центре. Энергетический барьер между этими формами составлял десятки милликельвинов, а время перехода — от 0,2 до 1,4 миллисекунды.

Чтобы разглядеть эти переходы, учёные использовали флуоресцентную микроскопию: ион в центре ловушки давал заметный вклад в сигнал, поэтому по скорости счёта фотонов можно было отличить одну конфигурацию от другой. Затем они построили поверхность потенциальной энергии — карту энергии системы в зависимости от координат — с помощью метода Монте-Карло: случайно смещая ионы и оставляя конфигурации с минимальной энергией, они получили энергетический профиль вдоль координаты реакции. Сравнив экспериментальные заселённости состояний с расчётом, они извлекли температуру кристалла: 8,8 милликельвина с погрешностью +3,5/−2,6 мК. Это стало первым случаем, когда температура ионного кристалла была измерена по заселённостям изомерных состояний.

Работа показывает, что ионный кристалл может служить точной моделью молекулярной изомеризации. В отличие от реальных молекул, где переходы длятся фемтосекунды и наблюдать их в реальном времени почти невозможно, здесь динамика растянута до миллисекунд, а размеры — до микрометров. Это позволяет изолировать вклад тепловых флуктуаций и квантового туннелирования. Следующим шагом может стать охлаждение кристалла до основного колебательного состояния и наблюдение квантового туннелирования между изомерами. Такие системы могут пригодиться для калибровки температуры в ионных ловушках и для подготовки начальных состояний в квантовых симуляторах.