Når det er fritt i kaldt rom, vil molekylet spontant avkjøles ved å bremse rotasjonen og miste rotasjonsenergi i kvanteoverganger. Fysikere har vist at denne rotasjonskjølingsprosessen kan akselereres, bremses eller til og med inverteres ved kollisjoner av molekyler med omgivende partikler. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Forskere ved Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Tyskland og Columbia Astrophysical Laboratory gjennomførte nylig et eksperiment med sikte på å måle kvanteovergangshastigheter forårsaket av kollisjoner mellom molekyler og elektroner. Funnene deres, publisert i Physical Review Letters, gir det første eksperimentelle beviset av dette forholdet, som tidligere kun er estimert teoretisk.
"Når elektroner og molekylære ioner er tilstede i en svakt ionisert gass, kan den laveste kvantenivåpopulasjonen av molekyler endre seg under kollisjoner," sa Ábel Kálosi, en av forskerne som utførte studien, til Phys.org. "Et eksempel på dette prosessen er i interstellare skyer, der observasjoner viser at molekyler hovedsakelig er i sine laveste kvantetilstander.Tiltrekningen mellom negativt ladede elektroner og positivt ladede molekylære ioner gjør elektronkollisjonsprosessen spesielt effektiv."
I årevis har fysikere forsøkt å teoretisk bestemme hvor sterkt frie elektroner interagerer med molekyler under kollisjoner og til slutt endrer rotasjonstilstanden deres. Men så langt har deres teoretiske spådommer ikke blitt testet i en eksperimentell setting.
"Inntil nå har det ikke blitt gjort målinger for å bestemme gyldigheten av endringen i rotasjonsenerginivåer for en gitt elektrontetthet og temperatur," forklarer Kálosi.
For å samle denne målingen brakte Kálosi og hans kolleger isolerte ladede molekyler i nærkontakt med elektroner ved temperaturer rundt 25 Kelvin. Dette tillot dem eksperimentelt å teste teoretiske antakelser og spådommer skissert i tidligere arbeider.
I sine eksperimenter brukte forskerne en kryogen lagringsring ved Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland, designet for arts-selektive molekylære ionestråler. I denne ringen beveger molekyler seg i veddeløpsbanelignende baner i et kryogent volum som er stort sett tømt for eventuelle andre bakgrunnsgasser.
"I en kryogen ring kan lagrede ioner kjøles ned til temperaturen på ringveggene, og gi ioner fylt på de laveste kvantenivåene," forklarer Kálosi. "Kryogene lagringsringer har nylig blitt bygget i flere land, men anlegget vårt er den eneste utstyrt med en spesialdesignet elektronstråle som kan rettes i kontakt med molekylære ioner.Ionene lagres i flere minutter i denne ringen, en laser brukes til å undersøke rotasjonsenergien til molekylære ioner."
Ved å velge en spesifikk optisk bølgelengde for sondelaseren sin, kunne teamet ødelegge en liten brøkdel av de lagrede ionene hvis rotasjonsenerginivåene deres samsvarte med den bølgelengden. De oppdaget deretter fragmenter av de forstyrrede molekylene for å oppnå såkalte spektrale signaler.
Teamet samlet inn målingene sine i nærvær og fravær av elektronkollisjoner. Dette tillot dem å oppdage endringer i den horisontale populasjonen under de lave temperaturforholdene satt i eksperimentet.
"For å måle prosessen med rotasjonstilstandsforandrende kollisjoner, er det nødvendig å sikre at det bare er det laveste rotasjonsenerginivået i det molekylære ionet," sa Kálosi. Derfor må molekylære ioner holdes i ekstremt kaldt i laboratorieeksperimenter. volum, ved bruk av kryogen kjøling til temperaturer godt under romtemperatur, som ofte er nær 300 Kelvin.I dette volumet kan molekyler isoleres fra allestedsnærværende molekyler, infrarød termisk stråling av miljøet vårt."
I sine eksperimenter var Kálosi og hans kolleger i stand til å oppnå eksperimentelle forhold der elektronkollisjoner dominerer strålingsoverganger. Ved å bruke nok elektroner kunne de samle inn kvantitative målinger av elektronkollisjoner med CH+ molekylære ioner.
"Vi fant at den elektroninduserte rotasjonsovergangshastigheten samsvarer med tidligere teoretiske spådommer," sa Kálosi. "Våre målinger gir den første eksperimentelle testen av eksisterende teoretiske spådommer.Vi forventer at fremtidige beregninger vil fokusere mer på de mulige effektene av elektronkollisjoner på de laveste energinivåpopulasjonene i kalde, isolerte kvantesystemer."
I tillegg til å bekrefte teoretiske spådommer i en eksperimentell setting for første gang, kan det nylige arbeidet til denne gruppen av forskere ha viktige forskningsimplikasjoner. Funnene deres tyder for eksempel på at måling av elektronindusert endringshastighet i kvanteenerginivåer kan være avgjørende når man analyserer de svake signalene til molekyler i rommet oppdaget av radioteleskoper eller kjemisk reaktivitet i tynne og kalde plasmaer.
I fremtiden kan denne artikkelen bane vei for nye teoretiske studier som nærmere vurderer effekten av elektronkollisjoner på okkupasjonen av rotasjonskvanteenerginivåer i kalde molekyler. Dette kan bidra til å finne ut hvor elektronkollisjoner har den sterkeste effekten, noe som gjør det mulig å gjennomføre mer detaljerte eksperimenter i felten.
"I den kryogene lagringsringen planlegger vi å introdusere mer allsidig laserteknologi for å undersøke rotasjonsenerginivåene til flere diatomiske og polyatomiske molekylarter," legger Kálosi til. .Laboratoriemålinger av denne typen vil fortsatt bli supplert, spesielt innen observasjonsastronomi ved bruk av kraftige observatorier som Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile.”
Vennligst bruk dette skjemaet hvis du støter på stavefeil, unøyaktigheter eller ønsker å sende en redigeringsforespørsel for innholdet på denne siden. For generelle spørsmål, vennligst bruk kontaktskjemaet vårt. For generell tilbakemelding, vennligst bruk den offentlige kommentarseksjonen nedenfor (vennligst følg retningslinjene).
Tilbakemeldingen din er viktig for oss. På grunn av mengden av meldinger garanterer vi imidlertid ikke individuelle svar.
Din e-postadresse brukes kun for å la mottakere få vite hvem som har sendt e-posten. Verken din adresse eller mottakerens adresse vil bli brukt til andre formål. Informasjonen du oppgir vil vises i e-posten din og vil ikke bli oppbevart av Phys.org i noen form.
Få ukentlige og/eller daglige oppdateringer levert til innboksen din. Du kan melde deg av når som helst, og vi vil aldri dele opplysningene dine med tredjeparter.
Denne nettsiden bruker informasjonskapsler for å hjelpe til med navigering, analysere din bruk av tjenestene våre, samle inn data for personlig tilpasning av annonser og levere innhold fra tredjeparter. Ved å bruke nettstedet vårt, bekrefter du at du har lest og forstått vår personvernerklæring og vilkår for bruk.
Innleggstid: 28. juni 2022