Wanneer het vrij is in de koude ruimte, zal het molecuul spontaan afkoelen door zijn rotatie te vertragen en rotatie-energie te verliezen in kwantumovergangen. Natuurkundigen hebben aangetoond dat dit roterende afkoelingsproces kan worden versneld, vertraagd of zelfs omgekeerd door botsingen van moleculen met omringende deeltjes .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Onderzoekers van het Max-Planck Instituut voor Kernfysica in Duitsland en het Columbia Astrophysical Laboratory hebben onlangs een experiment uitgevoerd gericht op het meten van de kwantumovergangssnelheden veroorzaakt door botsingen tussen moleculen en elektronen. Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters, leveren het eerste experimentele bewijsmateriaal op. van deze verhouding, die voorheen alleen theoretisch werd geschat.
“Wanneer elektronen en moleculaire ionen aanwezig zijn in een zwak geïoniseerd gas, kan de populatie van moleculen op het laagste kwantumniveau veranderen tijdens botsingen”, vertelde Ábel Kálosi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. Dit proces vindt plaats in interstellaire wolken, waar waarnemingen aantonen dat moleculen zich voornamelijk in hun laagste kwantumtoestanden bevinden. De aantrekkingskracht tussen negatief geladen elektronen en positief geladen moleculaire ionen maakt het elektronenbotsingsproces bijzonder efficiënt.”
Natuurkundigen proberen al jaren theoretisch te bepalen hoe sterk vrije elektronen interageren met moleculen tijdens botsingen en uiteindelijk hun rotatietoestand veranderen. Tot nu toe zijn hun theoretische voorspellingen echter niet getest in een experimentele setting.
“Tot nu toe zijn er geen metingen gedaan om de geldigheid van de verandering in rotatie-energieniveaus voor een bepaalde elektronendichtheid en temperatuur te bepalen”, legt Kálosi uit.
Om deze meting te verzamelen, brachten Kálosi en zijn collega's geïsoleerde geladen moleculen in nauw contact met elektronen bij temperaturen rond de 25 Kelvin. Hierdoor konden ze experimenteel de theoretische aannames en voorspellingen testen die in eerdere werken waren uiteengezet.
In hun experimenten gebruikten de onderzoekers een cryogene opslagring bij het Max-Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, Duitsland, ontworpen voor soortselectieve moleculaire ionenbundels. In deze ring bewegen moleculen in racebaanachtige banen in een cryogeen volume dat grotendeels ontdaan van andere achtergrondgassen.
“In een cryogene ring kunnen opgeslagen ionen door straling worden afgekoeld tot de temperatuur van de ringwanden, waardoor ionen worden verkregen die op de laagste kwantumniveaus zijn gevuld”, legt Kálosi uit. “Cryogene opslagringen zijn onlangs in verschillende landen gebouwd, maar onze faciliteit is de enige die is uitgerust met een speciaal ontworpen elektronenbundel die in contact kan worden gebracht met moleculaire ionen. In deze ring worden de ionen enkele minuten opgeslagen, met behulp van een laser wordt de rotatie-energie van moleculaire ionen ondervraagd.”
Door een specifieke optische golflengte voor zijn sondelaser te kiezen, kon het team een klein deel van de opgeslagen ionen vernietigen als hun rotatie-energieniveaus overeenkwamen met die golflengte. Vervolgens ontdekten ze fragmenten van de verstoorde moleculen om zogenaamde spectrale signalen te verkrijgen.
Het team verzamelde hun metingen in de aan- en afwezigheid van elektronenbotsingen. Hierdoor konden ze veranderingen in de horizontale populatie detecteren onder de lage temperatuuromstandigheden die in het experiment waren vastgesteld.
“Om het proces van botsingen die de rotatietoestand veranderen te meten, is het noodzakelijk om ervoor te zorgen dat er alleen het laagste rotatie-energieniveau in het moleculaire ion is”, zei Kálosi. “Daarom moeten moleculaire ionen in laboratoriumexperimenten in extreem koude omstandigheden worden bewaard. volumes, waarbij gebruik wordt gemaakt van cryogene koeling tot temperaturen ver onder kamertemperatuur, die vaak dichtbij de 300 Kelvin ligt. In dit volume kunnen moleculen worden geïsoleerd van alomtegenwoordige moleculen, infrarood thermische straling van onze omgeving.
In hun experimenten slaagden Kálosi en zijn collega's erin experimentele omstandigheden te bereiken waarin elektronenbotsingen de stralingsovergangen domineren. Door voldoende elektronen te gebruiken, konden ze kwantitatieve metingen verzamelen van elektronenbotsingen met CH+ moleculaire ionen.
“We ontdekten dat de door elektronen geïnduceerde rotatie-overgangssnelheid overeenkomt met eerdere theoretische voorspellingen,” zei Kálosi. “Onze metingen vormen de eerste experimentele test van bestaande theoretische voorspellingen. We verwachten dat toekomstige berekeningen zich meer zullen richten op de mogelijke effecten van elektronenbotsingen op populaties met het laagste energieniveau in koude, geïsoleerde kwantumsystemen.”
Naast het feit dat het recente werk van deze groep onderzoekers voor het eerst theoretische voorspellingen in een experimentele setting bevestigt, kan het recente werk van deze groep onderzoekers ook belangrijke onderzoeksimplicaties hebben. Hun bevindingen suggereren bijvoorbeeld dat het meten van de door elektronen geïnduceerde veranderingssnelheid in kwantumenergieniveaus mogelijk zou kunnen zijn cruciaal bij het analyseren van de zwakke signalen van moleculen in de ruimte gedetecteerd door radiotelescopen of chemische reactiviteit in dunne en koude plasma's.
In de toekomst zou dit artikel de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe theoretische studies waarin het effect van elektronenbotsingen op de bezetting van roterende kwantumenergieniveaus in koude moleculen nader wordt onderzocht. Dit zou kunnen helpen erachter te komen waar elektronenbotsingen het sterkste effect hebben, waardoor het mogelijk is om meer gedetailleerde experimenten in het veld uit te voeren.
“In de cryogene opslagring zijn we van plan een meer veelzijdige lasertechnologie te introduceren om de rotatie-energieniveaus van meer diatomische en polyatomaire moleculaire soorten te meten”, voegt Kálosi toe. “Dit zal de weg vrijmaken voor onderzoek naar elektronenbotsingen met behulp van grote aantallen extra moleculaire ionen. . Dit soort laboratoriummetingen zal verder worden aangevuld, vooral in de observationele astronomie, waarbij gebruik wordt gemaakt van krachtige observatoria zoals de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chili. ”
Gebruik dit formulier als u spelfouten of onnauwkeurigheden tegenkomt of een bewerkingsverzoek voor de inhoud van deze pagina wilt sturen. Voor algemene vragen kunt u ons contactformulier gebruiken. Voor algemene feedback kunt u het openbare commentaargedeelte hieronder gebruiken (volg a.u.b. de richtlijnen).
Uw feedback is belangrijk voor ons. Vanwege het grote aantal berichten kunnen wij echter geen individuele antwoorden garanderen.
Uw e-mailadres wordt alleen gebruikt om ontvangers te laten weten wie de e-mail heeft verzonden. Noch uw adres, noch het adres van de ontvanger zullen voor enig ander doel worden gebruikt. De informatie die u invoert, verschijnt in uw e-mail en wordt op geen enkele manier door Phys.org bewaard. formulier.
Ontvang wekelijkse en/of dagelijkse updates in uw inbox. U kunt zich op elk moment afmelden en wij zullen uw gegevens nooit met derden delen.
Deze website maakt gebruik van cookies om u te helpen bij het navigeren, om uw gebruik van onze diensten te analyseren, om gegevens te verzamelen voor het personaliseren van advertenties en om inhoud van derden aan te bieden. Door onze website te gebruiken, erkent u dat u ons privacybeleid en de gebruiksvoorwaarden hebt gelezen en begrepen.
Posttijd: 28 juni 2022