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 rotatiekoelproces 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 Institute for Nuclear Physics in Duitsland en het Columbia Astrophysical Laboratory hebben onlangs een experiment uitgevoerd om de kwantumtransitiesnelheden te meten die worden veroorzaakt door botsingen tussen moleculen en elektronen. Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters, leveren het eerste experimentele bewijs van deze verhouding, die voorheen alleen theoretisch werd geschat.
"Wanneer elektronen en moleculaire ionen aanwezig zijn in een zwak geïoniseerd gas, kan de laagste populatie van moleculen op kwantumniveau veranderen tijdens botsingen", vertelde Ábel Kálosi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Een voorbeeld hiervan proces is in interstellaire wolken, waar waarnemingen aantonen dat moleculen zich voornamelijk in hun laagste kwantumtoestand bevinden.De aantrekkingskracht tussen negatief geladen elektronen en positief geladen moleculaire ionen maakt het proces van elektronenbotsing bijzonder efficiënt.”
Al jaren proberen natuurkundigen 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 experimentele theoretische aannames en voorspellingen uit eerdere werken testen.
In hun experimenten gebruikten de onderzoekers een cryogene opslagring van het Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Duitsland, ontworpen voor soortselectieve moleculaire ionenbundels. In deze ring bewegen moleculen in racebaanachtige banen in een cryogeen volume dat wordt grotendeels ontdaan van andere achtergrondgassen.
"In een cryogene ring kunnen opgeslagen ionen door straling worden gekoeld tot de temperatuur van de ringwanden, waardoor ionen worden gevuld op de laagste paar kwantumniveaus", legt Kálosi uit. de enige die is uitgerust met een speciaal ontworpen elektronenstraal die in contact kan worden gebracht met moleculaire ionen.In deze ring worden de ionen enkele minuten opgeslagen, een laser wordt gebruikt om de rotatie-energie van moleculaire ionen te onderzoeken.”
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 detecteerden ze fragmenten van de verstoorde moleculen om zogenaamde spectrale signalen te verkrijgen.
Het team verzamelde hun metingen in de aanwezigheid en afwezigheid van elektronenbotsingen. Hierdoor konden ze veranderingen in de horizontale populatie detecteren onder de lage temperatuuromstandigheden die in het experiment waren ingesteld.
"Om het proces van roterende toestandsveranderende botsingen 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 extreem koud worden bewaard volumes, met behulp van cryogene koeling tot temperaturen ver onder kamertemperatuur, die vaak dicht bij 300 Kelvin liggen.In dit volume kunnen moleculen worden geïsoleerd van alomtegenwoordige moleculen, infrarood warmtestraling van onze omgeving.”
In hun experimenten waren Kálosi en zijn collega's in staat om experimentele omstandigheden te bereiken waarin elektronenbotsingen de stralingsovergangen domineren. Door voldoende elektronen te gebruiken, konden ze kwantitatieve metingen van elektronenbotsingen met CH+ moleculaire ionen verzamelen.
"We ontdekten dat de door elektronen geïnduceerde rotatie-overgangssnelheid overeenkomt met eerdere theoretische voorspellingen," zei Kálosi. "Onze metingen bieden de eerste experimentele test van bestaande theoretische voorspellingen.We verwachten dat toekomstige berekeningen zich meer zullen richten op de mogelijke effecten van elektronenbotsingen op de populaties met het laagste energieniveau in koude, geïsoleerde kwantumsystemen."
Naast het voor het eerst bevestigen van theoretische voorspellingen in een experimentele setting, kan het recente werk van deze groep onderzoekers belangrijke onderzoeksimplicaties hebben. Hun bevindingen suggereren bijvoorbeeld dat het meten van de door elektronen geïnduceerde veranderingssnelheid in kwantumenergieniveaus 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 banen voor nieuwe theoretische studies die het effect van elektronenbotsingen op de bezetting van roterende kwantumenergieniveaus in koude moleculen nader bekijken. Dit zou kunnen helpen om 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 om meer veelzijdige lasertechnologie te introduceren om de rotatie-energieniveaus van meer diatomische en polyatomaire moleculaire soorten te onderzoeken", voegt Kálosi toe. .Laboratoriummetingen van dit type zullen worden aangevuld, vooral in de observationele astronomie met behulp van krachtige observatoria zoals de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chili.”
Gebruik dit formulier als u spelfouten of onnauwkeurigheden tegenkomt of een wijzigingsverzoek voor de inhoud van deze pagina wilt verzenden. Gebruik ons contactformulier voor algemene vragen. Gebruik voor algemene feedback het gedeelte voor openbare opmerkingen hieronder (volg de richtlijnen).
Uw feedback is belangrijk voor ons. Vanwege de hoeveelheid berichten kunnen we 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 wordt voor andere doeleinden gebruikt. De informatie die u invoert, verschijnt in uw e-mail en wordt door Phys.org in geen enkel het formulier.
Ontvang wekelijkse en/of dagelijkse updates in je inbox. Je kunt je op elk moment uitschrijven en we zullen je gegevens nooit met derden delen.
Deze website maakt gebruik van cookies om te helpen bij het navigeren, het analyseren van uw gebruik van onze diensten, het verzamelen van gegevens voor het personaliseren van advertenties en het aanbieden van inhoud van derden. Door onze website te gebruiken, erkent u dat u ons privacybeleid en onze gebruiksvoorwaarden hebt gelezen en begrepen.
Posttijd: 28 juni-2022