När den är ledig i kallt utrymme kommer molekylen spontant att svalna genom att sakta ner sin rotation och förlora rotationsenergi i kvantövergångar. Fysiker har visat att denna roterande kylningsprocess kan accelereras, saktas ner eller till och med inverteras genom kollisioner mellan molekyler och omgivande partiklar. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Forskare vid Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Tyskland och Columbia Astrophysical Laboratory genomförde nyligen ett experiment som syftade till att mäta kvantövergångshastigheter orsakade av kollisioner mellan molekyler och elektroner. Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters, ger de första experimentella bevisen av detta förhållande, som tidigare endast har uppskattats teoretiskt.
"När elektroner och molekylära joner finns i en svagt joniserad gas, kan den lägsta kvantnivåpopulationen av molekyler förändras under kollisioner," sa Ábel Kálosi, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Ett exempel på detta Processen sker i interstellära moln, där observationer visar att molekyler övervägande befinner sig i sina lägsta kvanttillstånd.Attraktionen mellan negativt laddade elektroner och positivt laddade molekylära joner gör elektronkollisionsprocessen särskilt effektiv."
I flera år har fysiker försökt att teoretiskt bestämma hur starkt fria elektroner interagerar med molekyler under kollisioner och i slutändan ändrar deras rotationstillstånd. Men hittills har deras teoretiska förutsägelser inte testats i en experimentell miljö.
"Hittills har inga mätningar gjorts för att fastställa giltigheten av förändringen i rotationsenerginivåer för en given elektrondensitet och temperatur", förklarar Kálosi.
För att samla in denna mätning förde Kálosi och hans kollegor isolerade laddade molekyler i nära kontakt med elektroner vid temperaturer runt 25 Kelvin. Detta gjorde det möjligt för dem att experimentellt testa teoretiska antaganden och förutsägelser som beskrivs i tidigare arbeten.
I sina experiment använde forskarna en kryogen lagringsring vid Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland, designad för artselektiva molekylära jonstrålar. I denna ring rör sig molekyler i racerbanaliknande banor i en kryogen volym som töms till stor del från andra bakgrundsgaser.
"I en kryogen ring kan lagrade joner kylas ned till ringväggarnas temperatur, vilket ger joner fyllda på de lägsta få kvantnivåerna", förklarar Kálosi. Kryogena lagringsringar har nyligen byggts i flera länder, men vår anläggning är den enda utrustad med en specialdesignad elektronstråle som kan riktas i kontakt med molekylära joner.Jonerna lagras i flera minuter i denna ring, en laser används för att undersöka rotationsenergin hos molekylära joner."
Genom att välja en specifik optisk våglängd för sin sondlaser kunde teamet förstöra en liten del av de lagrade jonerna om deras rotationsenerginivåer matchade den våglängden. De upptäckte sedan fragment av de störda molekylerna för att få så kallade spektrala signaler.
Teamet samlade in sina mätningar i närvaro och frånvaro av elektronkollisioner. Detta gjorde det möjligt för dem att upptäcka förändringar i den horisontella populationen under de låga temperaturförhållanden som ställdes in i experimentet.
"För att mäta processen för rotationstillståndsförändrande kollisioner är det nödvändigt att säkerställa att det bara finns den lägsta rotationsenerginivån i molekyljonen," sa Kálosi. volymer, med användning av kryogen kylning till temperaturer långt under rumstemperatur, som ofta är nära 300 Kelvin.I denna volym kan molekyler isoleras från allestädes närvarande molekyler, infraröd värmestrålning från vår miljö."
I sina experiment kunde Kálosi och hans kollegor uppnå experimentella förhållanden där elektronkollisioner dominerar strålningsövergångar. Genom att använda tillräckligt med elektroner kunde de samla in kvantitativa mätningar av elektronkollisioner med CH+ molekylära joner.
"Vi fann att den elektroninducerade rotationsövergångshastigheten matchar tidigare teoretiska förutsägelser," sa Kálosi. "Våra mätningar ger det första experimentella testet av befintliga teoretiska förutsägelser.Vi räknar med att framtida beräkningar kommer att fokusera mer på de möjliga effekterna av elektronkollisioner på de lägsta energinivåpopulationerna i kalla, isolerade kvantsystem."
Förutom att bekräfta teoretiska förutsägelser i en experimentell miljö för första gången, kan den här gruppen av forskares senaste arbete ha viktiga forskningsimplikationer. Deras resultat tyder till exempel på att mätning av den elektroninducerade förändringshastigheten i kvantenerginivåer kan vara avgörande när man analyserar svaga signaler från molekyler i rymden som upptäcks av radioteleskop eller kemisk reaktivitet i tunna och kalla plasma.
I framtiden kan denna artikel bana väg för nya teoretiska studier som närmare tar hänsyn till effekten av elektronkollisioner på ockupationen av roterande kvantenerginivåer i kalla molekyler. Detta kan hjälpa till att ta reda på var elektronkollisioner har den starkaste effekten, vilket gör det är möjligt att genomföra mer detaljerade experiment på fältet.
"I den kryogena lagringsringen planerar vi att introducera mer mångsidig laserteknik för att undersöka rotationsenerginivåerna för fler diatomiska och polyatomära molekylarter," tillägger Kálosi. "Detta kommer att bana väg för elektronkollisionsstudier med ett stort antal ytterligare molekylära joner .Laboratoriemätningar av denna typ kommer att fortsätta att kompletteras, särskilt inom observationsastronomi med hjälp av kraftfulla observatorier som Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile.”
Vänligen använd det här formuläret om du stöter på stavfel, felaktigheter eller vill skicka en redigeringsbegäran för innehållet på denna sida. För allmänna frågor, använd vårt kontaktformulär. För allmän feedback, använd den offentliga kommentarssektionen nedan (vänligen följ riktlinjerna).
Din feedback är viktig för oss. På grund av mängden meddelanden garanterar vi dock inte individuella svar.
Din e-postadress används endast för att låta mottagare veta vem som skickat e-postmeddelandet. Varken din adress eller mottagarens adress kommer att användas för något annat ändamål. Informationen du anger kommer att visas i din e-post och kommer inte att behållas av Phys.org i någon form.
Få veckovisa och/eller dagliga uppdateringar levererade till din inkorg. Du kan avsluta prenumerationen när som helst och vi kommer aldrig att dela dina uppgifter med tredje part.
Den här webbplatsen använder cookies för att hjälpa till med navigering, analysera din användning av våra tjänster, samla in data för personlig anpassning av annonser och för att visa innehåll från tredje part. Genom att använda vår webbplats bekräftar du att du har läst och förstått vår integritetspolicy och användarvillkor.
Posttid: 2022-jun-28