Ko je prosta v hladnem prostoru, se bo molekula spontano ohladila tako, da bo upočasnila svojo rotacijo in izgubila rotacijsko energijo v kvantnih prehodih. Fiziki so pokazali, da lahko ta rotacijski proces hlajenja pospešimo, upočasnimo ali celo obrnemo s trki molekul z okoliškimi delci .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
Raziskovalci na Inštitutu Max-Planck za jedrsko fiziko v Nemčiji in Columbia Astrophysical Laboratory so pred kratkim izvedli eksperiment, katerega namen je bil izmeriti stopnje kvantnega prehoda, ki jih povzročajo trki med molekulami in elektroni. Njihove ugotovitve, objavljene v Physical Review Letters, zagotavljajo prve eksperimentalne dokaze tega razmerja, ki je bilo prej le teoretično ocenjeno.
"Ko so elektroni in molekularni ioni prisotni v šibko ioniziranem plinu, se lahko med trki spremeni populacija molekul na najnižji kvantni ravni," je za Phys.org povedal Ábel Kálosi, eden od raziskovalcev, ki je izvedel študijo. "Primer tega proces poteka v medzvezdnih oblakih, kjer opazovanja kažejo, da so molekule pretežno v svojih najnižjih kvantnih stanjih.Zaradi privlačnosti med negativno nabitimi elektroni in pozitivno nabitimi molekularnimi ioni je proces trka elektronov še posebej učinkovit.«
Fiziki že leta poskušajo teoretično ugotoviti, kako močno prosti elektroni medsebojno delujejo z molekulami med trki in na koncu spremenijo svoje rotacijsko stanje. Vendar do zdaj njihove teoretične napovedi niso bile preizkušene v eksperimentalnem okolju.
"Do zdaj ni bilo opravljenih nobenih meritev za določitev veljavnosti spremembe ravni rotacijske energije za dano gostoto in temperaturo elektronov," pojasnjuje Kálosi.
Da bi zbrali to meritev, so Kálosi in njegovi kolegi pripeljali izolirane nabite molekule v tesen stik z elektroni pri temperaturah okoli 25 Kelvinov. To jim je omogočilo eksperimentalno testiranje teoretičnih predpostavk in napovedi, opisanih v prejšnjih delih.
V svojih poskusih so raziskovalci uporabili kriogeni shranjevalni obroč na Max-Planckovem inštitutu za jedrsko fiziko v Heidelbergu v Nemčiji, zasnovan za vrste selektivne molekularne ionske žarke. V tem obroču se molekule gibljejo v orbitah, podobnih dirkalni stezi, v kriogenem volumnu, ki je v veliki meri izpraznjen vseh drugih plinov v ozadju.
»V kriogenem obroču se lahko shranjeni ioni radiativno ohladijo na temperaturo sten obroča, pri čemer nastanejo ioni, napolnjeni na nekaj najnižjih kvantnih ravneh,« pojasnjuje Kálosi.«Kriogene shranjevalne obroče so pred kratkim zgradili v več državah, vendar je naš obrat edini opremljen s posebej zasnovanim elektronskim žarkom, ki ga je mogoče usmeriti v stik z molekularnimi ioni.Ioni so shranjeni nekaj minut v tem obroču, laser se uporablja za zasliševanje rotacijske energije molekularnih ionov.
Z izbiro določene optične valovne dolžine za svoj sondni laser je ekipa lahko uničila majhen del shranjenih ionov, če bi se njihove ravni rotacijske energije ujemale s to valovno dolžino. Nato so zaznali fragmente motenih molekul, da bi pridobili tako imenovane spektralne signale.
Ekipa je zbrala svoje meritve v prisotnosti in odsotnosti trkov elektronov. To jim je omogočilo zaznavanje sprememb v vodoravni populaciji pod pogoji nizke temperature, določenimi v poskusu.
"Za merjenje procesa rotacijskih trkov, ki spreminjajo stanje, je treba zagotoviti, da je v molekularnem ionu le najnižja raven rotacijske energije," je dejal Kálosi. Zato je treba v laboratorijskih poskusih molekularne ione hraniti na izjemno hladnem prostornine z uporabo kriogenega hlajenja na temperature precej pod sobno temperaturo, ki je pogosto blizu 300 Kelvinov.V tem zvezku je mogoče izolirati molekule iz vseprisotnih molekul, infrardečega toplotnega sevanja našega okolja.«
Kálosi in njegovi sodelavci so v svojih poskusih lahko dosegli eksperimentalne pogoje, v katerih trki elektronov prevladujejo nad sevalnimi prehodi. Z uporabo dovolj elektronov so lahko zbrali kvantitativne meritve trkov elektronov z molekularnimi ioni CH+.
"Ugotovili smo, da se stopnja rotacijskega prehoda, ki ga povzročijo elektroni, ujema s prejšnjimi teoretičnimi napovedmi," je dejal Kálosi. "Naše meritve zagotavljajo prvi eksperimentalni preizkus obstoječih teoretičnih napovedi.Predvidevamo, da se bodo prihodnji izračuni bolj osredotočali na možne učinke trkov elektronov na populacije z najnižjo energijsko raven v hladnih, izoliranih kvantnih sistemih.
Nedavno delo te skupine raziskovalcev ima lahko poleg prve potrditve teoretičnih napovedi v eksperimentalnem okolju pomembne raziskovalne posledice. Njihove ugotovitve na primer kažejo, da bi lahko bilo merjenje z elektroni inducirane stopnje spremembe kvantnih energijskih ravni ključnega pomena pri analizi šibkih signalov molekul v vesolju, ki jih zaznajo radijski teleskopi, ali kemične reaktivnosti v tanki in hladni plazmi.
V prihodnosti bi ta članek lahko utrl pot novim teoretičnim študijam, ki bi podrobneje obravnavale učinek trkov elektronov na zasedbo rotacijskih kvantnih energijskih nivojev v hladnih molekulah. To bi lahko pomagalo ugotoviti, kje imajo trki elektronov najmočnejši učinek, zaradi česar možno izvesti podrobnejše poskuse na terenu.
»V kriogenem skladiščnem obroču nameravamo uvesti bolj vsestransko lasersko tehnologijo za merjenje ravni rotacijske energije več dvoatomskih in poliatomskih molekularnih vrst,« dodaja Kálosi.« To bo utrlo pot študijam trkov elektronov z uporabo velikega števila dodatnih molekularnih ionov. .Tovrstne laboratorijske meritve se bodo še naprej dopolnjevale, zlasti v opazovalni astronomiji z uporabo močnih observatorijev, kot je Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array v Čilu.”
Prosimo, uporabite ta obrazec, če naletite na črkovalne napake, netočnosti ali želite poslati zahtevo za urejanje vsebine te strani. Za splošne poizvedbe uporabite naš kontaktni obrazec. Za splošne povratne informacije uporabite spodnji razdelek za javne komentarje (sledite smernice).
Vaše povratne informacije so za nas pomembne. Vendar pa zaradi količine sporočil ne jamčimo za posamezne odgovore.
Vaš e-poštni naslov se uporablja samo za obveščanje prejemnikov, kdo je poslal e-pošto. Niti vaš naslov niti naslov prejemnika ne bosta uporabljena za noben drug namen. Informacije, ki jih vnesete, bodo prikazane v vaši e-pošti in jih Phys.org ne bo obdržal v nobenem primeru. oblika.
Prejmite tedenske in/ali dnevne posodobitve v vaš nabiralnik. Kadar koli se lahko odjavite in vaših podatkov ne bomo nikoli delili s tretjimi osebami.
To spletno mesto uporablja piškotke za pomoč pri navigaciji, analizira vašo uporabo naših storitev, zbira podatke za prilagajanje oglaševanja in ponuja vsebine tretjih oseb. Z uporabo našega spletnega mesta potrjujete, da ste prebrali in razumeli naš pravilnik o zasebnosti in pogoje uporabe.
Čas objave: 28. junij 2022