Keď je voľná v chladnom priestore, molekula sa spontánne ochladí spomalením svojej rotácie a stratou rotačnej energie pri kvantových prechodoch. Fyzici ukázali, že tento proces rotačného chladenia možno urýchliť, spomaliť alebo dokonca zvrátiť zrážkami molekúl s okolitými časticami. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Výskumníci z Max-Planck Institute for Nuclear Physics v Nemecku a Columbia Astrophysical Laboratory nedávno uskutočnili experiment zameraný na meranie kvantových prechodových rýchlostí spôsobených zrážkami medzi molekulami a elektrónmi. Ich zistenia, publikované v Physical Review Letters, poskytujú prvé experimentálne dôkazy. tohto pomeru, ktorý sa predtým len teoreticky odhadoval.
„Keď sú elektróny a molekulárne ióny prítomné v slabo ionizovanom plyne, najnižšia kvantová populácia molekúl sa môže počas zrážok zmeniť,“ povedal pre Phys.org Ábel Kálosi, jeden z výskumníkov, ktorí štúdiu vykonali. proces je v medzihviezdnych oblakoch, kde pozorovania ukazujú, že molekuly sú prevažne vo svojich najnižších kvantových stavoch.Vďaka príťažlivosti medzi záporne nabitými elektrónmi a kladne nabitými molekulárnymi iónmi je proces kolízie elektrónov obzvlášť efektívny.
Fyzici sa už roky pokúšajú teoreticky určiť, ako silne interagujú voľné elektróny s molekulami počas zrážok a nakoniec zmenia ich rotačný stav. Doteraz však ich teoretické predpovede neboli testované v experimentálnom prostredí.
"Doteraz neboli vykonané žiadne merania na určenie platnosti zmeny rotačných energetických hladín pre danú hustotu elektrónov a teplotu," vysvetľuje Kálosi.
Na získanie tohto merania Kálosi a jeho kolegovia priviedli izolované nabité molekuly do úzkeho kontaktu s elektrónmi pri teplotách okolo 25 Kelvinov. To im umožnilo experimentálne testovať teoretické predpoklady a predpovede uvedené v predchádzajúcich prácach.
Vo svojich experimentoch výskumníci použili kryogénny skladovací krúžok v Max-Planck Institute for Nuclear Physics v Heidelbergu v Nemecku, navrhnutý pre druhovo selektívne molekulárne iónové lúče. V tomto kruhu sa molekuly pohybujú po dráhach podobných dráham v kryogénnom objeme, ktorý je z veľkej časti vyprázdnený od akýchkoľvek iných plynov pozadia.
"V kryogénnom kruhu môžu byť uložené ióny radiačne ochladené na teplotu stien kruhu, čím sa získajú ióny naplnené na najnižších kvantových úrovniach," vysvetľuje Kálosi. jediný je vybavený špeciálne navrhnutým elektrónovým lúčom, ktorý môže byť nasmerovaný do kontaktu s molekulárnymi iónmi.Ióny sú uložené niekoľko minút v tomto prstenci, laser sa používa na skúmanie rotačnej energie molekulárnych iónov.
Výberom špecifickej optickej vlnovej dĺžky pre svoj sondový laser by tím mohol zničiť malú časť uložených iónov, ak by sa ich rotačné energetické úrovne zhodovali s touto vlnovou dĺžkou. Potom detekovali fragmenty narušených molekúl, aby získali takzvané spektrálne signály.
Tím zhromaždil svoje merania v prítomnosti a neprítomnosti zrážok elektrónov. To im umožnilo detekovať zmeny v horizontálnej populácii za podmienok nízkej teploty nastavených v experimente.
"Na meranie procesu kolízií so zmenou rotačného stavu je potrebné zabezpečiť, aby v molekulárnom ióne bola len najnižšia úroveň rotačnej energie," povedal Kálosi. "Pri laboratórnych experimentoch musia byť molekulárne ióny udržiavané v extrémne chladnom prostredí. objemoch pomocou kryogénneho chladenia na teploty výrazne pod izbovú teplotu, ktorá sa často blíži k 300 Kelvinom.V tomto objeme môžu byť molekuly izolované od všadeprítomných molekúl, infračerveného tepelného žiarenia nášho prostredia.“
Vo svojich experimentoch dokázali Kálosi a jeho kolegovia dosiahnuť experimentálne podmienky, v ktorých zrážky elektrónov dominujú radiačným prechodom. Použitím dostatočného množstva elektrónov mohli zbierať kvantitatívne merania zrážok elektrónov s molekulárnymi iónmi CH+.
"Zistili sme, že rýchlosť rotačného prechodu vyvolaná elektrónmi zodpovedá predchádzajúcim teoretickým predpovediam," povedal Kálosi. "Naše merania poskytujú prvý experimentálny test existujúcich teoretických predpovedí.Očakávame, že budúce výpočty sa zamerajú viac na možné účinky zrážok elektrónov na populácie s najnižšou energetickou úrovňou v chladných, izolovaných kvantových systémoch.
Okrem prvého potvrdenia teoretických predpovedí v experimentálnom prostredí môže mať nedávna práca tejto skupiny výskumníkov dôležité výskumné dôsledky. Napríklad ich zistenia naznačujú, že meranie elektrónmi indukovanej rýchlosti zmeny hladín kvantovej energie by mohlo byť rozhodujúce pri analýze slabých signálov molekúl vo vesmíre detekovaných rádioteleskopmi alebo chemickej reaktivity v riedkej a studenej plazme.
V budúcnosti by tento článok mohol pripraviť pôdu pre nové teoretické štúdie, ktoré podrobnejšie zvažujú vplyv zrážok elektrónov na obsadenie rotačných kvantových energetických hladín v studených molekulách. To by mohlo pomôcť zistiť, kde majú zrážky elektrónov najsilnejší účinok. je možné vykonávať podrobnejšie experimenty v teréne.
„V kryogénnom skladovacom prstenci plánujeme zaviesť všestrannejšiu laserovú technológiu na sondovanie úrovní rotačnej energie viac dvojatómových a polyatomických molekulárnych druhov,“ dodáva Kálosi.“ To pripraví pôdu pre štúdie kolízií elektrónov s použitím veľkého množstva ďalších molekulárnych iónov. .Laboratórne merania tohto typu sa budú naďalej dopĺňať, najmä v pozorovacej astronómii pomocou výkonných observatórií, ako je Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array v Čile.“
Ak narazíte na pravopisné chyby, nepresnosti alebo ak chcete odoslať žiadosť o úpravu obsahu tejto stránky, použite tento formulár. V prípade všeobecných otázok použite náš kontaktný formulár. Pre všeobecnú spätnú väzbu použite sekciu s verejnými komentármi nižšie (nasledujte usmernenia).
Vaša spätná väzba je pre nás dôležitá. Vzhľadom na množstvo správ však nezaručujeme individuálne odpovede.
Vaša e-mailová adresa sa používa iba na to, aby príjemcovia vedeli, kto odoslal e-mail. Vaša adresa ani adresa príjemcu nebudú použité na žiadny iný účel. Informácie, ktoré zadáte, sa objavia vo vašom e-maile a Phys.org ich v žiadnom prípade neuchová. formulár.
Získajte týždenné a/alebo denné aktualizácie do vašej doručenej pošty. Odber môžete kedykoľvek zrušiť a vaše údaje nikdy nezdieľame s tretími stranami.
Táto webová stránka používa súbory cookie na pomoc s navigáciou, analýzu vášho používania našich služieb, zhromažďovanie údajov na personalizáciu reklám a poskytovanie obsahu od tretích strán. Používaním našej webovej stránky potvrdzujete, že ste si prečítali a porozumeli našim zásadám ochrany osobných údajov a podmienkam používania.
Čas odoslania: 28. júna 2022