Wenn es im kalten Raum frei ist, kühlt das Molekül spontan ab, indem es seine Rotation verlangsamt und bei Quantenübergängen Rotationsenergie verliert. Physiker haben gezeigt, dass dieser Rotationskühlungsprozess durch Kollisionen von Molekülen mit umgebenden Teilchen beschleunigt, verlangsamt oder sogar umgekehrt werden kann .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Deutschland und des Columbia Astrophysical Laboratory führten kürzlich ein Experiment zur Messung der Quantenübergangsraten durch, die durch Kollisionen zwischen Molekülen und Elektronen verursacht werden. Ihre in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse liefern den ersten experimentellen Beweis dieses bisher nur theoretisch geschätzten Verhältnisses.
„Wenn Elektronen und Molekülionen in einem schwach ionisierten Gas vorhanden sind, kann sich die Population von Molekülen auf der niedrigsten Quantenebene bei Kollisionen verändern“, sagte Ábel Kálosi, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Ein Beispiel dafür.“ Der Prozess findet in interstellaren Wolken statt, wo Beobachtungen zeigen, dass sich die Moleküle überwiegend in ihren niedrigsten Quantenzuständen befinden. Die Anziehung zwischen negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Molekülionen macht den Elektronenstoßprozess besonders effizient.“
Seit Jahren versuchen Physiker theoretisch zu bestimmen, wie stark freie Elektronen bei Stößen mit Molekülen interagieren und letztendlich deren Rotationszustand ändern. Ihre theoretischen Vorhersagen wurden jedoch bisher nicht experimentell überprüft.
„Bisher wurden keine Messungen durchgeführt, um die Gültigkeit der Änderung der Rotationsenergieniveaus bei gegebener Elektronendichte und Temperatur zu bestimmen“, erklärt Kálosi.
Um diese Messung durchzuführen, brachten Kálosi und seine Kollegen isolierte geladene Moleküle bei Temperaturen um 25 Kelvin in engen Kontakt mit Elektronen. Dies ermöglichte es ihnen, theoretische Annahmen und Vorhersagen, die in früheren Arbeiten dargelegt wurden, experimentell zu testen.
Für ihre Experimente verwendeten die Forscher einen kryogenen Speicherring am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der für speziesselektive Molekülionenstrahlen ausgelegt ist. In diesem Ring bewegen sich Moleküle auf rennbahnähnlichen Bahnen in einem kryogenen Volumen ist weitgehend von allen anderen Hintergrundgasen befreit.
„In einem kryogenen Ring können gespeicherte Ionen durch Strahlung auf die Temperatur der Ringwände abgekühlt werden, wodurch Ionen entstehen, die auf den niedrigsten Quantenniveaus gefüllt sind“, erklärt Kálosi. „Kryogene Speicherringe wurden kürzlich in mehreren Ländern gebaut, unsere Anlage jedoch schon.“ der einzige, der mit einem speziell entwickelten Elektronenstrahl ausgestattet ist, der in Kontakt mit Molekülionen gelenkt werden kann. In diesem Ring werden die Ionen für mehrere Minuten gespeichert, mit einem Laser wird die Rotationsenergie der Molekülionen abgefragt.“
Durch die Wahl einer bestimmten optischen Wellenlänge für seinen Sondenlaser konnte das Team einen kleinen Teil der gespeicherten Ionen zerstören, wenn ihre Rotationsenergieniveaus dieser Wellenlänge entsprachen. Anschließend detektierten sie Fragmente der zerstörten Moleküle, um sogenannte Spektralsignale zu erhalten.
Das Team sammelte seine Messungen in Gegenwart und Abwesenheit von Elektronenkollisionen. Dadurch konnten sie Veränderungen in der horizontalen Population unter den im Experiment eingestellten Niedertemperaturbedingungen feststellen.
„Um den Prozess von Kollisionen zur Änderung des Rotationszustands zu messen, muss sichergestellt werden, dass das Molekülion nur das niedrigste Rotationsenergieniveau aufweist“, sagte Kálosi. „Daher müssen Molekülionen in Laborexperimenten extrem kalt gehalten werden.“ Volumina mittels kryogener Kühlung auf Temperaturen weit unter der Raumtemperatur, die oft nahe bei 300 Kelvin liegt. In diesem Band können Moleküle aus allgegenwärtigen Molekülen, der Infrarot-Wärmestrahlung unserer Umwelt, isoliert werden.“
In ihren Experimenten gelang es Kálosi und seinen Kollegen, experimentelle Bedingungen zu erreichen, bei denen Elektronenkollisionen Strahlungsübergänge dominieren. Indem sie genügend Elektronen verwendeten, konnten sie quantitative Messungen von Elektronenkollisionen mit CH+-Molekülionen sammeln.
„Wir haben herausgefunden, dass die elektroneninduzierte Rotationsübergangsrate mit früheren theoretischen Vorhersagen übereinstimmt“, sagte Kálosi. „Unsere Messungen liefern den ersten experimentellen Test bestehender theoretischer Vorhersagen.“ Wir gehen davon aus, dass sich zukünftige Berechnungen stärker auf die möglichen Auswirkungen von Elektronenkollisionen auf Populationen mit dem niedrigsten Energieniveau in kalten, isolierten Quantensystemen konzentrieren werden.“
Neben der erstmaligen Bestätigung theoretischer Vorhersagen in einem experimentellen Umfeld könnten die jüngsten Arbeiten dieser Forschergruppe wichtige Forschungsimplikationen haben. Ihre Ergebnisse legen beispielsweise nahe, dass die elektroneninduzierte Änderungsrate der Quantenenergieniveaus gemessen werden könnte Dies ist von entscheidender Bedeutung bei der Analyse der schwachen Signale von Molekülen im Weltraum, die von Radioteleskopen erfasst werden, oder der chemischen Reaktivität in dünnen und kalten Plasmen.
Zukünftig könnte dieses Papier den Weg für neue theoretische Studien ebnen, die die Auswirkungen von Elektronenkollisionen auf die Besetzung rotierender Quantenenergieniveaus in kalten Molekülen genauer untersuchen. Dies könnte dabei helfen, herauszufinden, wo Elektronenkollisionen den stärksten Effekt haben Es ist möglich, detailliertere Experimente im Feld durchzuführen.
„Im kryogenen Speicherring planen wir die Einführung einer vielseitigeren Lasertechnologie, um die Rotationsenergieniveaus von mehr zwei- und mehratomigen Molekülspezies zu untersuchen“, fügt Kálosi hinzu. „Dies wird den Weg für Elektronenkollisionsstudien mit einer großen Anzahl zusätzlicher Molekülionen ebnen.“ . Labormessungen dieser Art werden weiterhin ergänzt, insbesondere in der beobachtenden Astronomie durch leistungsstarke Observatorien wie das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chile. ”
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28.06.2022