Wanneer het vrij is in de koude ruimte, zal een 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 en zelfs omgekeerd door de botsingen van het molecuul met omringende deeltjes.

Onderzoekers van het Max-Planck Instituut voor Kernfysica in Duitsland en het Columbia Astrophysics Laboratory hebben onlangs een experiment uitgevoerd om de snelheid van kwantumovergangen te meten die worden veroorzaakt door botsingen tussen moleculen en elektronen. Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters , bieden het eerste experimentele bewijs van deze snelheid, die voorheen alleen theoretisch werd geschat.

"Wanneer elektronen en moleculaire ionen aanwezig zijn in ijle, geïoniseerde gassen, kunnen de populaties op het laagste kwantumniveau van de moleculen worden veranderd in een botsingsproces", vertelde Ábel Kálosi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Een voorbeeld van dit proces is in interstellaire wolken, waar waarnemingen moleculen onthullen die voornamelijk in hun laagste kwantumtoestand zijn. De aantrekkingskracht tussen de negatief geladen elektronen en de positief geladen moleculaire ionen maakt het proces van elektronische botsingen bijzonder efficiënt."

Natuurkundigen proberen al vele jaren theoretisch de sterkte te bepalen waarmee een vrij elektron een interactie aangaat met een molecuul tijdens botsingen en uiteindelijk de rotatietoestand van het molecuul te veranderen. Tot nu toe waren hun theoretische voorspellingen echter niet getest in een experimentele setting.

"Tot nu toe kon geen enkele meting de effectiviteit bepalen van de veranderingen in het rotatieniveau voor een bepaalde elektronendichtheid en temperatuur", legt Kálosi uit.

Om deze meting te verzamelen, brachten Kálosi en zijn collega's geïsoleerde, geladen moleculen in nauw contact met elektronen, bij een temperatuur van ongeveer 25 Kelvin. Hierdoor konden ze de theoretische hypothesen en voorspellingen die in eerdere werken werden beschreven experimenteel testen.

In hun experiment gebruikten de onderzoekers een cryogene opslagring van het Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Duitsland, ontworpen voor soortgeselecteerde moleculaire ionenbundels. In deze ring bewegen moleculen zich in een renbaanachtige baan in een cryogeen volume, dat in zeer hoge mate wordt geleegd uit elk ander achtergrondgas.

"In een cryogene ring kunnen de opgeslagen ionen met straling afkoelen naar de temperatuur van de wanden van de ring, waardoor ionen worden gegenereerd die in hun laagste kwantumniveaus zijn bevolkt", legt Kálosi uit. "Er zijn onlangs een handvol cryogene opslagringen gebouwd in een paar landen, maar onze faciliteit is de enige die is uitgerust met een speciaal ontworpen elektronenstraal die kan worden gestuurd om in contact te komen met de moleculaire ionen. De ionen worden vele minuten opgeslagen in deze ring, en een laser wordt gebruikt om de rotatie-energie van de moleculaire ionen te onderzoeken."

Door een specifieke optische golflengte voor hun sondeerlaser te selecteren, kon het team een ​​zeer klein deel van de opgeslagen ionen vernietigen, als hun rotatie-energieniveau overeenkwam met deze golflengte. Vervolgens detecteerden ze de fragmenten van de vernietigde moleculen om een ​​zogenaamd spectroscopiesignaal te verkrijgen.

Het team verzamelde hun metingen zowel in de aanwezigheid als in afwezigheid van elektronenbotsingen. Hierdoor konden ze veranderingen in populatieniveaus detecteren onder de cryogene omstandigheden die in hun experiment waren ingesteld.

"Om het proces van botsingen die de rotatietoestand veranderen te meten, moet men ervoor zorgen dat alleen de laagste rotatie-energieniveaus in de moleculaire ionen worden bevolkt," zei Kálosi. "Daarom moeten de moleculaire ionen in een laboratoriumexperiment in een extreem koud volume worden gehouden, met behulp van cryogene koeling tot een temperatuur die aanzienlijk lager is dan de gebruikelijke kamertemperatuur van bijna 300 Kelvin. In dit volume kunnen de moleculen worden geïsoleerd van de alomtegenwoordige , infrarood warmtestraling van onze omgeving."

In hun experiment konden Kálosi en zijn collega's experimentele omstandigheden realiseren waarin elektronenbotsingen domineerden over stralingsovergangen. Door voldoende elektronen te gebruiken, konden ze vervolgens een kwantitatieve meting van elektronische botsingen met CH ⁺ verzamelen moleculaire ionen.

"We hebben snelheden gevonden voor door elektronen geïnduceerde rotatieovergangen die compatibel zijn met eerdere theoretische voorspellingen," zei Kálosi. "Onze metingen vormden de eerste experimentele test van de bestaande theoretische voorspellingen. We verwachten dat toekomstige berekeningen zich sterker zullen richten op de mogelijke invloed van elektronische botsingen 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 dit team van onderzoekers belangrijke onderzoeksimplicaties hebben. Hun bevindingen suggereren bijvoorbeeld dat het meten van door elektronen geïnduceerde snelheden van veranderingen op kwantumniveau cruciaal zou kunnen zijn bij het analyseren van zwakke signalen van moleculen in de ruimte die worden gedetecteerd door radiotelescopen of de chemische reactiviteit in verdunde en koude plasma's.

In de toekomst zou dit artikel de weg kunnen banen voor nieuwe theoretische studies die de invloed van elektronische botsingen op de bezetting van roterende kwantumniveaus in koude moleculen nader beschouwen. Dit zou kunnen helpen om gevallen te onderscheiden waarin elektronische botsingen de sterkste effecten hebben, wat mogelijk kan leiden tot meer gedetailleerde experimenten op dit gebied.

"Bij de cryogene opslagring zijn we van plan om meer veelzijdige lasertechnieken te introduceren om de rotatie-energieniveaus voor meer diatomische en polyatomaire moleculaire soorten te onderzoeken," voegde Kálosi eraan toe. "Dit zal de weg vrijmaken voor elektronische botsingsstudies met een groot aantal aanvullende moleculaire ionen. Dit soort laboratoriummetingen zal een aanvulling blijven vormen, met name observatieastronomie, met behulp van de krachtige observatoria zoals de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chili." + Verder verkennen

Botsingen met elektronen koelen moleculaire ionen

© 2022 Science X Network