Brug af laserteknologi til at måle rotationsafkølingen af ​​molekylære ioner, der kolliderer med elektroner

Når det er frit i koldt rum, vil et molekyle spontant køle ned ved at bremse dets rotation og miste rotationsenergi i kvanteovergange. Fysikere har vist, at denne rotationsafkølingsproces kan accelereres, bremses og endda inverteres ved molekylets kollisioner med omgivende partikler.

Forskere ved Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Tyskland og Columbia Astrophysics Laboratory har for nylig udført et eksperiment, der har til formål at måle hastigheden af ​​kvanteovergange forårsaget af kollisioner mellem molekyler og elektroner. Deres resultater, offentliggjort i Physical Review Letters , tilbyder det første eksperimentelle bevis på denne hastighed, som tidligere kun var blevet teoretisk estimeret.

"Når elektroner og molekylære ioner er til stede i spinkle, ioniserede gasser, kan de laveste kvanteniveaupopulationer af molekylerne ændres i en kollisionsproces," siger Ábel Kálosi, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Et eksempel på denne proces er i interstellare skyer, hvor observationer afslører molekyler overvejende i deres laveste kvantetilstande. Tiltrækningskraften mellem de negativt ladede elektroner og de positivt ladede molekylære ioner gør processen med elektroniske kollisioner særlig effektiv."

Fysikere har i mange år forsøgt teoretisk at bestemme den styrke, hvormed en fri elektron interagerer med et molekyle under kollisioner og i sidste ende ændre molekylets rotationstilstand. Indtil videre var deres teoretiske forudsigelser dog ikke blevet testet i eksperimentelle omgivelser.

"Indtil nu har ingen måling kunne bestemme effektiviteten af ​​rotationsniveauændringerne for en given elektrontæthed og temperatur," forklarede Kálosi.

For at indsamle denne måling bragte Kálosi og hans kolleger isolerede, ladede molekyler i tæt kontakt med elektroner ved en temperatur på cirka 25 Kelvin. Dette gav dem mulighed for eksperimentelt at teste de teoretiske hypoteser og forudsigelser, der er skitseret i tidligere værker.

I deres eksperiment brugte forskerne en kryogen lagerring på Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland, designet til artsudvalgte molekylære ionstråler. I denne ring bevæger molekyler sig på en racerbanelignende bane i et kryogent volumen, som i meget høj grad tømmes for enhver anden baggrundsgas.

"I en kryogen ring kan de lagrede ioner køle ned mod temperaturen af ​​ringens vægge, hvilket genererer ioner, der er befolket i deres laveste få kvanteniveauer," forklarede Kálosi. "Der er en håndfuld kryogene lagerringe, der for nylig er bygget i nogle få lande, men vores anlæg er det eneste, der er udstyret med en specialdesignet elektronstråle, der kan styres til at komme i kontakt med de molekylære ioner. Ionerne opbevares i mange minutter. i denne ring, og en laser bruges til at undersøge rotationsenergien af ​​de molekylære ioner."

Ved at vælge en specifik optisk bølgelængde til deres sonderingslaser kunne holdet ødelægge en meget lille del af de lagrede ioner, hvis deres rotationsenerginiveau matchede denne bølgelængde. De detekterede derefter fragmenterne af de ødelagte molekyler for at opnå et såkaldt spektroskopisignal.

Holdet indsamlede deres målinger både i nærvær og fravær af elektronkollisioner. Dette gjorde det muligt for dem at detektere niveau-populationsændringer under de kryogene betingelser, der er fastsat i deres eksperiment.

"For at måle processen med rotationstilstandsskiftende kollisioner skal man sikre, at kun de laveste rotationsenerginiveauer er befolket i de molekylære ioner," sagde Kálosi. "Derfor skal de molekylære ioner i et laboratorieforsøg holdes i et ekstremt koldt volumen, ved hjælp af kryogen afkøling til en temperatur, der er betydeligt lavere end den sædvanlige nær-300 Kelvin stuetemperatur. I dette volumen kan molekylerne isoleres fra det allestedsnærværende , infrarød varmestråling af vores miljø."

I deres eksperiment var Kálosi og hans kolleger i stand til at realisere eksperimentelle forhold, hvor elektronkollisioner dominerede over strålingsovergange. Ved at bruge nok elektroner kunne de så indsamle en kvantitativ måling af elektroniske kollisioner med CH ⁺ molekylære ioner.

"Vi fandt hastigheder for elektron-inducerede rotationsovergange, der er kompatible med tidligere teoretiske forudsigelser," sagde Kálosi. "Vores målinger gav den første eksperimentelle test af de eksisterende teoretiske forudsigelser. Vi forventer, at fremtidige beregninger i højere grad vil fokusere på den mulige indflydelse af elektroniske kollisioner på de laveste energiniveaupopulationer i kolde, isolerede kvantesystemer."

Ud over at bekræfte teoretiske forudsigelser i eksperimentelle omgivelser for første gang, kan det nylige arbejde fra dette hold af forskere have vigtige forskningsmæssige konsekvenser. For eksempel tyder deres resultater på, at måling af elektron-inducerede hastigheder af kvanteniveauændringer kan være afgørende, når man analyserer svage signaler fra molekyler i rummet, detekteret af radioteleskoper, eller den kemiske reaktivitet i fortyndede og kolde plasmaer.

I fremtiden kan dette papir bane vejen for nye teoretiske undersøgelser, der overvejer indflydelsen af ​​elektroniske kollisioner på besættelsen af ​​rotationskvanteniveauer i kolde molekyler nærmere. Dette kunne være med til at udskille de tilfælde, hvor elektroniske kollisioner har de stærkeste virkninger, hvilket potentielt kan føre til mere detaljerede eksperimenter på dette område.

"Ved den kryogene lagerring planlægger vi at introducere mere alsidige laserteknikker for at undersøge rotationsenerginiveauerne for mere diatomiske og polyatomiske molekylære arter," tilføjede Kálosi. "Dette vil bane vejen for elektroniske kollisionsstudier med et stort udvalg af yderligere molekylære ioner. Denne type laboratoriemålinger vil fortsætte med at supplere, især observationsastronomi, ved at bruge de kraftfulde observatorier som Atacama Large Millimeter/submillimeter Array i Chile." + Udforsk yderligere

Kollisioner med elektroner afkøler molekylære ioner

© 2022 Science X Network