Gdy jest wolna w zimnej przestrzeni, cząsteczka spontanicznie się ochładza, spowalniając swój obrót i tracąc energię obrotową w przejściach kwantowych. Fizycy wykazali, że ten proces chłodzenia obrotowego można przyspieszyć, spowolnić, a nawet odwrócić przez zderzenia cząsteczek z otaczającymi cząsteczkami .googletag.cmd.push(funkcja() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Niemczech i Laboratorium Astrofizycznego Columbia przeprowadzili niedawno eksperyment, którego celem było zmierzenie szybkości przejść kwantowych spowodowanych zderzeniami między cząsteczkami i elektronami. Ich odkrycia, opublikowane w „Physical Review Letters”, stanowią pierwszy dowód eksperymentalny tego wskaźnika, który wcześniej był szacowany tylko teoretycznie.
„Kiedy elektrony i jony cząsteczkowe są obecne w słabo zjonizowanym gazie, populacja cząsteczek o najniższym poziomie kwantowym może ulec zmianie podczas zderzeń” – powiedział Phys.org Ábel Kálosi, jeden z naukowców, który przeprowadził badanie. Proces zachodzi w obłokach międzygwiazdowych, gdzie obserwacje pokazują, że cząsteczki znajdują się głównie w najniższych stanach kwantowych.Przyciąganie między ujemnie naładowanymi elektronami a dodatnio naładowanymi jonami molekularnymi sprawia, że proces zderzeń elektronów jest szczególnie wydajny”.
Od lat fizycy próbują teoretycznie określić, jak silnie swobodne elektrony oddziałują z cząsteczkami podczas zderzeń i ostatecznie zmieniają ich stan rotacyjny. Jednak do tej pory ich przewidywania teoretyczne nie zostały przetestowane w warunkach eksperymentalnych.
„Do tej pory nie przeprowadzono żadnych pomiarów w celu określenia poprawności zmiany poziomów energii rotacyjnej dla danej gęstości elektronowej i temperatury”, wyjaśnia Kálosi.
Aby zebrać ten pomiar, Kálosi i jego koledzy doprowadzili izolowane naładowane molekuły do bliskiego kontaktu z elektronami w temperaturze około 25 kelwinów. Pozwoliło im to eksperymentalnie przetestować założenia teoretyczne i przewidywania przedstawione w poprzednich pracach.
W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali kriogeniczny pierścień magazynujący w Instytucie Maxa-Plancka Fizyki Jądrowej 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 przechowywane jony mogą być schładzane radiacyjnie do temperatury ścian pierścienia, dzięki czemu jony są wypełnione na kilku najniższych poziomach kwantowych”, wyjaśnia Kálosi. jedyny wyposażony w specjalnie zaprojektowaną wiązkę elektronów, która może być skierowana w kontakt z jonami molekularnymi.Jony są przechowywane w tym pierścieniu przez kilka minut, laser służy do badania energii rotacyjnej jonów molekularnych.”
Wybierając określoną długość fali optycznej dla swojego lasera sondującego, zespół mógł zniszczyć niewielką część zmagazynowanych jonów, gdyby ich poziomy energii rotacyjnej odpowiadały tej długości fali. Następnie wykryli fragmenty rozerwanych cząsteczek, aby uzyskać tak zwane sygnały spektralne.
Zespół zebrał swoje pomiary w obecności i bez zderzeń elektronów. Pozwoliło to na wykrycie zmian w populacji poziomej w warunkach niskiej temperatury ustalonych w eksperymencie.
„Aby zmierzyć proces zderzeń zmieniających stan rotacji, konieczne jest upewnienie się, że w jonie molekularnym występuje tylko najniższy poziom energii rotacyjnej” – powiedział Kalosi. objętości, stosując chłodzenie kriogeniczne do temperatur znacznie poniżej temperatury pokojowej, która często jest bliska 300 kelwinów.W tej objętości cząsteczki można wyizolować z wszechobecnych cząsteczek, podczerwonego promieniowania cieplnego naszego środowiska.”
W swoich eksperymentach Kálosi i jego koledzy byli w stanie osiągnąć warunki eksperymentalne, w których zderzenia elektronów dominują w przejściach radiacyjnych. Używając wystarczającej liczby elektronów, mogli zebrać 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 możliwym wpływie zderzeń elektronów na populacje o najniższym poziomie energii w zimnych, izolowanych układach kwantowych”.
Oprócz potwierdzenia po raz pierwszy teoretycznych przewidywań w warunkach eksperymentalnych, ostatnie prace tej grupy badaczy mogą mieć ważne implikacje badawcze. Na przykład ich odkrycia sugerują, że pomiar indukowanej elektronami szybkości zmian poziomów energii kwantowej może być ma kluczowe znaczenie przy analizie słabych sygnałów cząsteczek w kosmosie wykrytych przez radioteleskopy lub reaktywności chemicznej w cienkiej i zimnej plazmie.
W przyszłości artykuł ten może utorować drogę nowym badaniom teoretycznym, które dokładniej analizują wpływ zderzeń elektronów na zajmowanie rotacyjnych poziomów energii kwantowej w zimnych cząsteczkach. Może to pomóc w ustaleniu, gdzie zderzenia elektronów mają najsilniejszy wpływ, co możliwe jest przeprowadzenie bardziej szczegółowych eksperymentów w terenie.
„W kriogenicznym pierścieniu akumulacyjnym planujemy wprowadzić bardziej wszechstronną technologię laserową, aby zbadać poziomy energii rotacyjnej bardziej dwuatomowych i wieloatomowych form molekularnych”, dodaje Kálosi. „To utoruje drogę do badań zderzeń elektronów przy użyciu dużej liczby dodatkowych jonów molekularnych .Pomiary laboratoryjne tego typu będą nadal uzupełniane, zwłaszcza w astronomii obserwacyjnej z wykorzystaniem potężnych obserwatoriów, takich jak Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array w Chile.”
Użyj tego formularza, jeśli napotkasz błędy ortograficzne, nieścisłości lub chcesz wysłać prośbę o edycję zawartości tej strony.W przypadku pytań ogólnych, skorzystaj z naszego formularza kontaktowego.Aby uzyskać ogólne informacje zwrotne, skorzystaj z poniższej sekcji komentarzy publicznych (proszę śledzić wytycznych).
Twoja opinia jest dla nas ważna. Jednak ze względu na ilość wiadomości nie gwarantujemy indywidualnych odpowiedzi.
Twój adres e-mail jest używany tylko do poinformowania odbiorców, kto wysłał wiadomość e-mail. Ani Twój adres, ani adres odbiorcy nie zostaną wykorzystane do żadnych innych celów. Wprowadzone informacje pojawią się w wiadomości e-mail i nie będą przechowywane przez Phys.org w żadnym innym Formularz.
Otrzymuj cotygodniowe i/lub codzienne aktualizacje na swoją skrzynkę odbiorczą. Możesz zrezygnować z subskrypcji w dowolnym momencie i nigdy nie udostępnimy Twoich danych stronom trzecim.
Ta strona korzysta z plików cookie, aby pomóc w nawigacji, analizować korzystanie z naszych usług, gromadzić dane do personalizacji reklam i udostępniać treści od stron trzecich. Korzystając z naszej witryny, potwierdzasz, że przeczytałeś i zrozumiałeś naszą Politykę prywatności i Warunki korzystania.
Czas publikacji: 28 czerwca-2022