Förenklat schema över experimentet som visar de relevanta delarna av den kryogena lagringsringen (CSR). De röda och blå banorna framhäver jon- respektive elektronstrålarna. De lagrade jonerna kan interagera med den sammanslagna elektronstrålen eller en pulsad laserstråle (streckad lila linje). Laserinteraktionsprodukterna är neutrala och fortsätter ballistiskt (grön pil) tills de samlas på en partikelräkningsdetektor. Kredit:Kalosi et al.
När den är ledig i kallt utrymme kommer en molekyl spontant att kylas ner genom att sakta ner sin rotation och förlora rotationsenergi i kvantövergångar. Fysiker har visat att denna roterande kylningsprocess kan accelereras, saktas ner och till och med inverteras av molekylens kollisioner med omgivande partiklar.
Forskare vid Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Tyskland och Columbia Astrophysics Laboratory har nyligen genomfört ett experiment som syftar till att mäta hastigheten på kvantövergångar orsakade av kollisioner mellan molekyler och elektroner. Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters , erbjuda det första experimentella beviset för denna hastighet, som tidigare endast hade uppskattats teoretiskt.
"När elektroner och molekylära joner finns i tunna, joniserade gaser, kan de lägsta kvantnivåpopulationerna av molekylerna förändras i en kollisionsprocess", säger Ábel Kálosi, en av forskarna som utförde studien, till Phys.org. "Ett exempel på denna process är i interstellära moln, där observationer avslöjar molekyler huvudsakligen i sina lägsta kvanttillstånd. Attraktionskraften mellan de negativt laddade elektronerna och de positivt laddade molekyljonerna gör processen med elektroniska kollisioner särskilt effektiv."
Fysiker har i många år försökt att teoretiskt bestämma styrkan med vilken en fri elektron interagerar med en molekyl under kollisioner och i slutändan ändra molekylens rotationstillstånd. Än så länge har deras teoretiska förutsägelser inte testats i en experimentell miljö.
"Fram till nu har ingen mätning kunnat fastställa effektiviteten av rotationsnivåförändringarna för en given elektrondensitet och temperatur," förklarade Kálosi.
För att samla in denna mätning tog Kálosi och hans kollegor isolerade, laddade molekyler i nära kontakt med elektroner, vid en temperatur på cirka 25 Kelvin. Detta gjorde det möjligt för dem att experimentellt testa de teoretiska hypoteserna och förutsägelserna som beskrivs i tidigare arbeten.
I sitt experiment använde forskarna en kryogen lagringsring vid Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland, designad för artutvalda molekylära jonstrålar. I denna ring rör sig molekyler på en racerbanaliknande bana i en kryogen volym, som töms i mycket hög grad från alla andra bakgrundsgaser.
"I en kryogen ring kan de lagrade jonerna svalna radiativt mot temperaturen på ringens väggar, vilket genererar joner som är befolkade i sina lägsta få kvantnivåer," förklarade Kálosi. "Det finns en handfull kryogena lagringsringar som nyligen byggts i några länder, men vår anläggning är den enda utrustad med en specialdesignad elektronstråle som kan styras för att komma i kontakt med molekyljonerna. Jonerna lagras i många minuter. i den här ringen, och en laser används för att undersöka molekyljonernas rotationsenergi."
Konstnärens intryck av en kollision som ändrar rotationstillstånd mellan ett molekylärt mål (CH+) och en elektron. Rotationskvanttillstånden för molekylen märkt av J kvantiseras och separeras med väl bestämda energisteg. Endast när partiklarnas kollisionsenergi överskrider denna tröskel kan kvanttalet J öka vid en kollision. Annars observerar vi en nettominskning av J som är rotationskylningseffekten av kollisioner, som i vårt experiment. Kredit:Kalosi et al.
Genom att välja en specifik optisk våglängd för sin sonderingslaser kunde teamet förstöra en mycket liten del av de lagrade jonerna, om deras rotationsenerginivå matchade denna våglängd. De upptäckte sedan fragmenten av de förstörda molekylerna för att uppnå en så kallad spektroskopisignal.
Teamet samlade in sina mätningar både i närvaro och frånvaro av elektronkollisioner. Detta gjorde det möjligt för dem att upptäcka nivåer av populationsförändringar under de kryogena förhållanden som ställdes i deras experiment.
"För att mäta processen med rotationstillståndsförändrande kollisioner måste man se till att endast de lägsta rotationsenerginivåerna är befolkade i molekyljonerna," sa Kálosi. "Därför måste molekyljonerna i ett laboratorieexperiment hållas i en extremt kall volym, med hjälp av kryogen kylning till en temperatur som är betydligt lägre än den vanliga rumstemperaturen på nära 300 Kelvin. I denna volym kan molekylerna isoleras från den allestädes närvarande , infraröd värmestrålning av vår miljö."
I sitt experiment kunde Kálosi och hans kollegor realisera experimentella förhållanden där elektronkollisioner dominerade över strålningsövergångar. Genom att använda tillräckligt med elektroner kunde de sedan samla in en kvantitativ mätning av elektroniska kollisioner med CH + molekylära joner.
"Vi hittade hastigheter för elektroninducerade rotationsövergångar som är kompatibla med tidigare teoretiska förutsägelser," sa Kálosi. "Våra mätningar gav det första experimentella testet av de befintliga teoretiska förutsägelserna. Vi förväntar oss att framtida beräkningar kommer att fokusera mer på den möjliga påverkan av elektroniska kollisioner på populationerna med lägsta energinivå i kalla, isolerade kvantsystem."
Förutom att bekräfta teoretiska förutsägelser i en experimentell miljö för första gången, kan det senaste arbetet av detta team av forskare ha viktiga forskningsimplikationer. Deras resultat tyder till exempel på att mätning av elektroninducerade hastigheter av kvantnivåförändringar kan vara avgörande när man analyserar svaga signaler från molekyler i rymden detekterade av radioteleskop eller den kemiska reaktiviteten i utspädda och kalla plasma.
I framtiden kan denna uppsats bana väg för nya teoretiska studier som tar hänsyn till inverkan av elektroniska kollisioner på ockupationen av roterande kvantnivåer i kalla molekyler. Detta kan hjälpa till att peka ut fall där elektroniska kollisioner har de starkaste effekterna, vilket kan leda till mer detaljerade experiment på detta område.
"Vid den kryogena lagringsringen planerar vi att introducera mer mångsidiga lasertekniker för att undersöka rotationsenerginivåerna för mer diatomiska och polyatomiska molekylarter," tillade Kálosi. "Detta kommer att bana väg för elektroniska kollisionsstudier med ett stort antal ytterligare molekylära joner. Den här typen av laboratoriemätningar kommer att fortsätta att komplettera, särskilt observationsastronomi, med hjälp av kraftfulla observatorier som Atacama Large Millimeter/submillimeter Array i Chile." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
