Kiedy jest wolna w zimnej przestrzeni, cząsteczka będzie spontanicznie ochładzać się, spowalniając swój obrót i tracąc energię rotacyjną w przejściach kwantowych. Fizycy wykazali, że ten proces chłodzenia rotacyjnego można przyspieszyć, spowolnić, a nawet odwrócić w wyniku zderzeń cząsteczek z otaczającymi cząstkami .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa-Plancka w Niemczech i Columbia Astrophysical Laboratory przeprowadzili niedawno eksperyment mający na celu zmierzenie szybkości przejść kwantowych spowodowanych zderzeniami cząsteczek z elektronami. Ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters, stanowią pierwszy dowód eksperymentalny tego stosunku, który dotychczas był szacowany jedynie teoretycznie.
„Kiedy elektrony i jony molekularne są obecne w słabo zjonizowanym gazie, podczas zderzeń może zmienić się populacja cząsteczek na najniższym poziomie kwantowym” – powiedział Phys.org Ábel Kálosi, jeden z badaczy prowadzący badanie. „Przykład tego proces zachodzi w obłokach międzygwiazdowych, gdzie obserwacje pokazują, że cząsteczki znajdują się głównie w najniższych stanach kwantowych. Przyciąganie między ujemnie naładowanymi elektronami i dodatnio naładowanymi jonami molekularnymi sprawia, że proces zderzenia elektronów jest szczególnie wydajny”.
Fizycy od lat próbują teoretycznie określić, jak silnie swobodne elektrony oddziałują z cząsteczkami podczas zderzeń i ostatecznie zmieniają ich stan rotacyjny. Jednak dotychczas ich teoretyczne przewidywania nie zostały sprawdzone w warunkach eksperymentalnych.
„Do tej pory nie przeprowadzono żadnych pomiarów w celu ustalenia zasadności zmiany poziomów energii rotacyjnej dla danej gęstości elektronów i temperatury” – wyjaśnia Kálosi.
Aby uzyskać te pomiary, Kálosi i jego współpracownicy doprowadzili izolowane naładowane cząsteczki do bliskiego kontaktu z elektronami w temperaturach około 25 kelwinów. Umożliwiło im to eksperymentalne przetestowanie założeń teoretycznych i przewidywań przedstawionych w poprzednich pracach.
W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali kriogeniczny pierścień magazynujący w Instytucie Fizyki Jądrowej Maxa-Plancka w Heidelbergu w Niemczech, zaprojektowany do selektywnych gatunkowo wiązek jonów molekularnych. W tym pierścieniu cząsteczki poruszają się po orbitach przypominających tor wyścigowy w kriogenicznej objętości, która jest w dużej mierze opróżniony z wszelkich innych gazów tła.
„W pierścieniu kriogenicznym zmagazynowane jony można schładzać radiacyjnie do temperatury ścianek pierścienia, uzyskując jony wypełnione na kilku najniższych poziomach kwantowych” – wyjaśnia Kálosi. „W kilku krajach zbudowano niedawno kriogeniczne pierścienie magazynujące, ale nasz obiekt jest jedyny wyposażony w specjalnie zaprojektowaną wiązkę elektronów, którą można skierować na kontakt z jonami molekularnymi. Jony są przechowywane w tym pierścieniu przez kilka minut, a do badania energii rotacyjnej jonów molekularnych wykorzystuje się laser.
Wybierając określoną długość fali optycznej dla swojej sondy laserowej, zespół mógł zniszczyć niewielką część zmagazynowanych jonów, jeśli ich poziom energii rotacyjnej odpowiadał tej długości fali. Następnie wykryli fragmenty rozbitych cząsteczek, aby uzyskać tak zwane sygnały spektralne.
Zespół zebrał pomiary w obecności i przy braku zderzeń elektronów. Umożliwiło to wykrycie zmian w populacji poziomej w warunkach niskiej temperatury ustalonych w eksperymencie.
„Aby zmierzyć proces zderzeń zmieniających stan rotacyjny, należy upewnić się, że w jonie molekularnym występuje jedynie najniższy poziom energii rotacyjnej” – powiedział Kálosi. „Dlatego w eksperymentach laboratoryjnych jony molekularne muszą być przechowywane w bardzo zimnym objętości, stosując chłodzenie kriogeniczne do temperatur znacznie niższych od temperatury pokojowej, która często jest bliska 300 kelwinów. W tym tomie można odizolować cząsteczki od wszechobecnych cząsteczek. Promieniowanie cieplne w podczerwieni naszego środowiska.
W swoich eksperymentach Kálosi i jego współpracownicy byli w stanie osiągnąć warunki eksperymentalne, w których zderzenia elektronów dominują w przejściach radiacyjnych. Wykorzystując wystarczającą liczbę elektronów, mogli zbierać ilościowe pomiary zderzeń elektronów z jonami molekularnymi CH+.
„Odkryliśmy, że indukowana elektronami szybkość przejścia rotacyjnego jest zgodna z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi” – powiedział Kálosi. „Nasze pomiary stanowią pierwszy eksperymentalny test istniejących przewidywań teoretycznych. Przewidujemy, że przyszłe obliczenia skupią się bardziej na możliwych skutkach zderzeń elektronów na populacje o najniższym poziomie energii w zimnych, izolowanych układach kwantowych”.
Oprócz potwierdzenia teoretycznych przewidywań po raz pierwszy w warunkach eksperymentalnych, niedawna praca tej grupy badaczy może mieć ważne implikacje badawcze. Na przykład ich odkrycia sugerują, że pomiar indukowanej elektronami szybkości zmian poziomów energii kwantowej mógłby być kluczowe przy analizie słabych sygnałów cząsteczek w przestrzeni kosmicznej wykrywanych przez radioteleskopy lub reaktywności chemicznej w cienkiej i zimnej plazmie.
W przyszłości artykuł ten może utorować drogę nowym badaniom teoretycznym, które dokładniej rozważą wpływ zderzeń elektronów na zajmowanie rotacyjnych poziomów energii kwantowej w zimnych cząsteczkach. Może to pomóc w ustaleniu, gdzie zderzenia elektronów mają największy wpływ, dzięki czemu umożliwiło przeprowadzenie bardziej szczegółowych eksperymentów w terenie.
„W kriogenicznym pierścieniu magazynującym planujemy wprowadzić bardziej wszechstronną technologię laserową do badania poziomów energii rotacyjnej większej liczby dwuatomowych i wieloatomowych cząsteczek” – dodaje Kálosi. „Otworzy to drogę do badań zderzeń elektronów z wykorzystaniem dużej liczby dodatkowych jonów molekularnych . Pomiary laboratoryjne tego typu będą w dalszym ciągu uzupełniane, szczególnie w astronomii obserwacyjnej z wykorzystaniem potężnych obserwatoriów, takich jak Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array w Chile. ”
Skorzystaj z tego formularza, jeśli napotkasz błędy ortograficzne, nieścisłości lub chcesz wysłać prośbę o edycję treści tej strony. W przypadku pytań ogólnych skorzystaj z naszego formularza kontaktowego. Aby uzyskać ogólną opinię, skorzystaj z poniższej sekcji komentarzy publicznych (proszę postępować zgodnie z wytycznych).
Twoja opinia jest dla nas ważna. Jednakże ze względu na ilość wiadomości nie gwarantujemy indywidualnych odpowiedzi.
Twój adres e-mail służy wyłącznie do poinformowania odbiorców, kto wysłał wiadomość e-mail. Ani Twój adres, ani adres odbiorcy nie zostaną wykorzystane w żadnym innym celu. Wprowadzone informacje pojawią się w Twojej wiadomości e-mail i nie będą przechowywane przez Phys.org w żadnym przypadku formularz.
Otrzymuj cotygodniowe i/lub codzienne aktualizacje na swoją skrzynkę odbiorczą. Możesz zrezygnować z subskrypcji w dowolnym momencie, a my nigdy nie udostępnimy Twoich danych osobom trzecim.
Ta strona korzysta z plików cookie, aby ułatwić nawigację, analizować sposób korzystania z naszych usług, gromadzić dane w celu personalizacji reklam i udostępniać treści stronom trzecim. Korzystając z naszej witryny, potwierdzasz, że przeczytałeś i zrozumiałeś naszą Politykę prywatności i Warunki użytkowania.
Czas publikacji: 28 czerwca 2022 r