Wenn es frei im kalten Raum 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 durch, das darauf abzielte, die Quantenübergangsraten zu messen, 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 der Moleküle auf der niedrigsten Quantenebene bei Kollisionen ändern“, sagte Ábel Kálosi, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Ein Beispiel dafür Der Prozess findet in interstellaren Wolken statt, wo Beobachtungen zeigen, dass sich Moleküle überwiegend in ihren niedrigsten Quantenzuständen befinden.Die Anziehungskraft 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 wechselwirken und letztendlich ihren Rotationszustand ändern. Bisher wurden ihre theoretischen Vorhersagen jedoch nicht experimentell überprüft.
„Bisher wurden keine Messungen durchgeführt, um die Gültigkeit der Änderung der Rotationsenergieniveaus für eine gegebene Elektronendichte und Temperatur zu bestimmen“, erklärt Kálosi.
Um diese Messung zu erhalten, 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 skizziert wurden, experimentell zu testen.
Für ihre Experimente nutzten die Forscher einen kryogenen Speicherring am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der für artselektive Molekülionenstrahlen ausgelegt ist. In diesem Ring bewegen sich Moleküle in einem kryogenen Volumen auf rennbahnähnlichen Bahnen von allen anderen Hintergrundgasen weitgehend entleert wird.
„In einem kryogenen Ring können gespeicherte Ionen durch Strahlung auf die Temperatur der Ringwände gekühlt werden, was zu Ionen führt, die auf den niedrigsten Quantenniveaus gefüllt sind“, erklärt Kálosi. „Kryogene Speicherringe wurden kürzlich in mehreren Ländern gebaut, aber unsere Anlage ist es das einzige, das mit einem speziell konstruierten Elektronenstrahl ausgestattet ist, der in Kontakt mit Molekülionen gelenkt werden kann.In diesem Ring werden die Ionen für einige Minuten gespeichert, mit einem Laser wird die Rotationsenergie von Molekülionen abgefragt.“
Durch die Wahl einer bestimmten optischen Wellenlänge für seinen Sondenlaser konnte das Team einen kleinen Bruchteil der gespeicherten Ionen zerstören, wenn ihre Rotationsenergie mit dieser Wellenlänge übereinstimmte. Anschließend detektierten sie Fragmente der zerstörten Moleküle, um sogenannte Spektralsignale zu erhalten.
Das Team sammelte seine Messungen in Gegenwart und Abwesenheit von Elektronenkollisionen. Dies ermöglichte es ihnen, Veränderungen in der horizontalen Population unter den im Experiment festgelegten niedrigen Temperaturbedingungen zu erkennen.
„Um den Prozess von Kollisionen zur Änderung des Rotationszustands zu messen, muss sichergestellt werden, dass im Molekülion nur das niedrigste Rotationsenergieniveau vorhanden ist“, sagte Kálosi. „Daher müssen Molekülionen in Laborexperimenten extrem kalt gehalten werden Volumina unter Verwendung kryogener Kühlung auf Temperaturen deutlich unter Raumtemperatur, die oft nahe 300 Kelvin liegt.In diesem Volumen können Moleküle von allgegenwärtigen Molekülen isoliert werden, Infrarot-Wärmestrahlung unserer Umwelt.“
In ihren Experimenten konnten Kálosi und seine Kollegen experimentelle Bedingungen erreichen, bei denen Elektronenkollisionen Strahlungsübergänge dominieren. Indem sie genügend Elektronen verwendeten, konnten sie quantitative Messungen von Elektronenkollisionen mit CH+-Molekülionen sammeln.
„Wir fanden heraus, dass die elektroneninduzierte Rotationsübergangsrate früheren theoretischen Vorhersagen entspricht“, 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. Beispielsweise legen ihre Ergebnisse nahe, dass die Messung der elektroneninduzierten Änderungsrate von Quantenenergieniveaus möglich sein könnte entscheidend bei der Analyse der schwachen Signale von Molekülen im Weltraum, die von Radioteleskopen oder der chemischen Reaktivität in dünnen und kalten Plasmen erfasst werden.
In Zukunft könnte dieses Papier den Weg für neue theoretische Studien ebnen, die den Effekt von Elektronenkollisionen auf die Besetzung von Rotationsquantenenergieniveaus in kalten Molekülen genauer betrachten. Dies könnte helfen herauszufinden, wo Elektronenkollisionen die stärkste Wirkung haben Es ist möglich, detailliertere Experimente im Feld durchzuführen.
„Im kryogenen Speicherring planen wir die Einführung einer vielseitigeren Lasertechnologie, um die Rotationsenergieniveaus von mehr zweiatomigen und mehratomigen Molekülarten zu untersuchen“, fügt Kálosi hinzu. „Dies wird den Weg für Elektronenkollisionsstudien unter Verwendung einer großen Anzahl zusätzlicher Molekülionen ebnen .Labormessungen dieser Art werden insbesondere in der beobachtenden Astronomie mit leistungsstarken Observatorien wie dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chile weiter ergänzt.”
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Postzeit: 28. Juni 2022