Quan està lliure a l'espai fred, la molècula es refredarà espontàniament alentint la seva rotació i perdent energia de rotació en les transicions quàntiques. Els físics han demostrat que aquest procés de refredament rotacional es pot accelerar, alentir o fins i tot invertir per col·lisions de molècules amb partícules circumdants. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′);
Investigadors de l'Institut Max-Planck de Física Nuclear d'Alemanya i del Laboratori Astrofísic de Columbia han dut a terme recentment un experiment destinat a mesurar les taxes de transició quàntica causades per col·lisions entre molècules i electrons. Les seves troballes, publicades a Physical Review Letters, proporcionen la primera evidència experimental. d'aquesta ràtio, que abans només s'havia estimat teòricament.
"Quan els electrons i els ions moleculars estan presents en un gas dèbilment ionitzat, la població de molècules de nivell quàntic més baix pot canviar durant les col·lisions", va dir Ábel Kálosi, un dels investigadors que va realitzar l'estudi, a Phys.org. "Un exemple d'això. El procés és als núvols interestel·lars, on les observacions mostren que les molècules es troben predominantment en els seus estats quàntics més baixos. L'atracció entre electrons carregats negativament i ions moleculars carregats positivament fa que el procés de col·lisió d'electrons sigui especialment eficient".
Durant anys, els físics han estat intentant determinar teòricament la força que els electrons lliures interaccionen amb les molècules durant les col·lisions i, finalment, canvien el seu estat de rotació. No obstant això, fins ara, les seves prediccions teòriques no s'han provat en un entorn experimental.
"Fins ara, no s'ha fet cap mesura per determinar la validesa del canvi en els nivells d'energia de rotació per a una densitat i temperatura d'electrons determinades", explica Kálosi.
Per recopilar aquesta mesura, Kálosi i els seus col·legues van posar molècules carregades aïllades en estret contacte amb electrons a temperatures al voltant dels 25 Kelvin. Això els va permetre provar experimentalment les suposicions teòriques i les prediccions descrites en treballs anteriors.
En els seus experiments, els investigadors van utilitzar un anell d'emmagatzematge criogènic a l'Institut Max-Planck de Física Nuclear a Heidelberg, Alemanya, dissenyat per a feixos d'ions moleculars selectius per a espècies. En aquest anell, les molècules es mouen en òrbites semblants a un circuit de carreres en un volum criogènic que es buida en gran part de qualsevol altre gas de fons.
"En un anell criogènic, els ions emmagatzemats es poden refredar radiativament a la temperatura de les parets de l'anell, produint ions plens als nivells quàntics més baixos", explica Kálosi. "Recentment s'han construït anells d'emmagatzematge criogènic a diversos països, però la nostra instal·lació està l'únic equipat amb un feix d'electrons especialment dissenyat que es pot dirigir en contacte amb ions moleculars. Els ions s'emmagatzemen durant diversos minuts en aquest anell, s'utilitza un làser per interrogar l'energia de rotació dels ions moleculars".
En triar una longitud d'ona òptica específica per a la seva sonda làser, l'equip podria destruir una petita fracció dels ions emmagatzemats si els seus nivells d'energia de rotació coincideixen amb aquesta longitud d'ona. Després van detectar fragments de les molècules alterades per obtenir els anomenats senyals espectrals.
L'equip va recollir les seves mesures en presència i absència de col·lisions d'electrons. Això els va permetre detectar canvis en la població horitzontal sota les condicions de baixa temperatura establertes a l'experiment.
"Per mesurar el procés de col·lisions que canvien d'estat de rotació, cal assegurar-se que només hi ha el nivell d'energia de rotació més baix en l'ió molecular", va dir Kálosi. "Per tant, en experiments de laboratori, els ions moleculars s'han de mantenir en extremada fred. volums, utilitzant refrigeració criogènica a temperatures molt per sota de la temperatura ambient, que sovint s'aproxima als 300 Kelvin. En aquest volum, les molècules es poden aïllar de molècules omnipresents, la radiació tèrmica infraroja del nostre entorn".
En els seus experiments, Kálosi i els seus col·legues van poder aconseguir condicions experimentals en què les col·lisions d'electrons dominen les transicions radiatives. Mitjançant l'ús d'electrons suficients, van poder recollir mesures quantitatives de col·lisions d'electrons amb ions moleculars CH+.
"Hem trobat que la taxa de transició de rotació induïda per electrons coincideix amb les prediccions teòriques anteriors", va dir Kálosi. "Les nostres mesures proporcionen la primera prova experimental de les prediccions teòriques existents. Preveiem que els càlculs futurs se centraran més en els possibles efectes de les col·lisions d'electrons en les poblacions de nivell energètic més baix en sistemes quàntics freds i aïllats".
A més de confirmar per primera vegada les prediccions teòriques en un entorn experimental, el treball recent d'aquest grup d'investigadors pot tenir implicacions importants en la investigació. Per exemple, les seves troballes suggereixen que mesurar la taxa de canvi induïda per electrons en els nivells d'energia quàntica podria ser crucial a l'hora d'analitzar els senyals febles de les molècules a l'espai detectades per radiotelescopis o la reactivitat química en plasmes prims i freds.
En el futur, aquest article podria obrir el camí per a nous estudis teòrics que considerin més de prop l'efecte de les col·lisions d'electrons en l'ocupació dels nivells d'energia quàntica de rotació en molècules fredes. Això podria ajudar a esbrinar on les col·lisions d'electrons tenen l'efecte més fort, fent que permet dur a terme experiments més detallats en el camp.
"A l'anell d'emmagatzematge criogènic, tenim previst introduir una tecnologia làser més versàtil per investigar els nivells d'energia rotacional de més espècies moleculars diatòmiques i poliatòmiques", afegeix Kálosi. "Això obrirà el camí per als estudis de col·lisió d'electrons utilitzant un gran nombre d'ions moleculars addicionals. . Les mesures de laboratori d'aquest tipus es continuaran complementant, especialment en astronomia observacional mitjançant observatoris potents com l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array a Xile. ”
Si us plau, utilitzeu aquest formulari si trobeu errors ortogràfics, inexactituds o voleu enviar una sol·licitud d'edició del contingut d'aquesta pàgina. Per a consultes generals, utilitzeu el nostre formulari de contacte. Per a comentaris generals, utilitzeu la secció de comentaris públics a continuació (seguiu les directrius).
Els vostres comentaris són importants per a nosaltres. No obstant això, a causa del volum de missatges, no garantim respostes individuals.
La vostra adreça de correu electrònic només s'utilitza per fer saber als destinataris qui ha enviat el correu electrònic. Ni la vostra adreça ni l'adreça del destinatari s'utilitzaran per a cap altre propòsit. La informació que introduïu apareixerà al vostre correu electrònic i Phys.org no la conservarà en cap cas. forma.
Rebeu actualitzacions setmanals i/o diàries a la vostra safata d'entrada. Podeu donar-vos de baixa en qualsevol moment i mai compartirem les vostres dades amb tercers.
Aquest lloc web utilitza galetes per ajudar a la navegació, analitzar el vostre ús dels nostres serveis, recopilar dades per personalitzar la publicitat i publicar contingut de tercers. En utilitzar el nostre lloc web, reconeixeu que heu llegit i entès la nostra Política de privadesa i Condicions d'ús.
Hora de publicació: 28-juny-2022