Kada je slobodna u hladnom prostoru, molekula će se spontano ohladiti usporavanjem svoje rotacije i gubitkom rotacijske energije u kvantnim prijelazima. Fizičari su pokazali da se ovaj rotacijski proces hlađenja može ubrzati, usporiti ili čak obrnuti sudarima molekula s okolnim česticama .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Istraživači s Max-Planck Instituta za nuklearnu fiziku u Njemačkoj i Columbia Astrophysical Laboratory nedavno su proveli eksperiment s ciljem mjerenja kvantnih brzina prijelaza uzrokovanih sudarima između molekula i elektrona. Njihovi nalazi, objavljeni u Physical Review Letters, pružaju prve eksperimentalne dokaze ovog omjera, koji je prije bio samo teoretski procijenjen.
"Kada su elektroni i molekularni ioni prisutni u slabo ioniziranom plinu, populacija molekula na najnižoj kvantnoj razini može se promijeniti tijekom sudara", rekao je Ábel Kálosi, jedan od istraživača koji su proveli studiju, za Phys.org. "Primjer ovoga proces je u međuzvjezdanim oblacima, gdje promatranja pokazuju da su molekule pretežno u svojim najnižim kvantnim stanjima. Privlačenje između negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih molekularnih iona čini proces sudara elektrona posebno učinkovitim.”
Godinama su fizičari pokušavali teoretski odrediti koliko snažno slobodni elektroni stupaju u interakciju s molekulama tijekom sudara i naposljetku mijenjaju svoje rotacijsko stanje. Međutim, do sada njihova teorijska predviđanja nisu testirana u eksperimentalnom okruženju.
"Do sada nisu provedena nikakva mjerenja kako bi se utvrdila valjanost promjene u razinama rotacijske energije za danu gustoću elektrona i temperaturu", objašnjava Kálosi.
Kako bi prikupili ovo mjerenje, Kálosi i njegovi kolege doveli su izolirane nabijene molekule u bliski kontakt s elektronima na temperaturama od oko 25 Kelvina. To im je omogućilo da eksperimentalno testiraju teorijske pretpostavke i predviđanja navedena u prethodnim radovima.
U svojim eksperimentima istraživači su koristili kriogeni skladišni prsten na Institutu za nuklearnu fiziku Max-Planck u Heidelbergu u Njemačkoj, dizajniran za molekularne ionske zrake selektivne vrste. U ovom prstenu molekule se kreću u orbitama poput trkaće staze u kriogenom volumenu koji je u velikoj mjeri ispražnjen od svih drugih pozadinskih plinova.
"U kriogenom prstenu, pohranjeni ioni mogu se zračenjem ohladiti na temperaturu stijenki prstena, dajući ione ispunjene na nekoliko najnižih kvantnih razina", objašnjava Kálosi. "Kriogeni skladišni prstenovi nedavno su izgrađeni u nekoliko zemalja, ali naše je postrojenje jedina opremljena posebno dizajniranim elektronskim snopom koji se može usmjeriti u kontakt s molekularnim ionima. Ioni se pohranjuju nekoliko minuta u ovom prstenu, a laser se koristi za ispitivanje rotacijske energije molekularnih iona.”
Odabirom specifične optičke valne duljine za svoj laser sonde, tim je mogao uništiti mali dio pohranjenih iona ako njihove razine rotacijske energije odgovaraju toj valnoj duljini. Zatim su detektirali fragmente poremećenih molekula kako bi dobili takozvane spektralne signale.
Tim je prikupio svoja mjerenja u prisutnosti i odsutnosti sudara elektrona. To im je omogućilo otkrivanje promjena u horizontalnoj populaciji pod uvjetima niske temperature postavljenim u eksperimentu.
"Da bismo izmjerili proces sudara koji mijenjaju stanje rotacije, potrebno je osigurati da postoji samo najniža razina rotacijske energije u molekularnom ionu", rekao je Kálosi. "Stoga se u laboratorijskim eksperimentima molekularni ioni moraju držati na ekstremno hladnoj volumena, koristeći kriogeno hlađenje na temperature znatno ispod sobne temperature, što je često blizu 300 Kelvina. U ovom svesku, molekule se mogu izolirati od sveprisutnih molekula, infracrvenog toplinskog zračenja našeg okoliša.”
U svojim eksperimentima, Kálosi i njegovi kolege uspjeli su postići eksperimentalne uvjete u kojima sudari elektrona dominiraju radijacijskim prijelazima. Korištenjem dovoljno elektrona, mogli su prikupiti kvantitativna mjerenja sudara elektrona s molekulskim ionima CH+.
"Otkrili smo da se brzina rotacijske tranzicije inducirane elektronima podudara s prethodnim teoretskim predviđanjima", rekao je Kálosi. "Naša mjerenja daju prvi eksperimentalni test postojećih teorijskih predviđanja. Predviđamo da će se budući izračuni više usredotočiti na moguće učinke sudara elektrona na populacije s najnižom energetskom razinom u hladnim, izoliranim kvantnim sustavima.”
Osim potvrđivanja teorijskih predviđanja u eksperimentalnom okruženju po prvi put, nedavni rad ove skupine istraživača mogao bi imati važne istraživačke implikacije. Na primjer, njihova otkrića sugeriraju da bi mjerenje elektronima inducirane stope promjene u kvantnim energetskim razinama moglo biti presudno pri analizi slabih signala molekula u svemiru detektiranih radioteleskopima ili kemijske reaktivnosti u tankoj i hladnoj plazmi.
U budućnosti bi ovaj rad mogao utrti put novim teorijskim studijama koje pobliže razmatraju učinak sudara elektrona na zauzimanje rotacijskih kvantnih energetskih razina u hladnim molekulama. To bi moglo pomoći da se otkrije gdje sudari elektrona imaju najjači učinak, čineći moguće je provesti detaljnije pokuse na terenu.
"U kriogenom skladišnom prstenu planiramo uvesti svestraniju lasersku tehnologiju za ispitivanje razine rotacijske energije više dvoatomskih i poliatomskih molekularnih vrsta", dodaje Kálosi. "Ovo će utrti put studijama sudara elektrona korištenjem velikog broja dodatnih molekularnih iona . Laboratorijska mjerenja ove vrste nastavit će se nadopunjavati, posebno u promatračkoj astronomiji korištenjem snažnih zvjezdarnica kao što je Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array u Čileu. ”
Upotrijebite ovaj obrazac ako naiđete na pravopisne pogreške, netočnosti ili želite poslati zahtjev za uređivanje sadržaja ove stranice. Za općenite upite upotrijebite naš obrazac za kontakt. Za opće povratne informacije upotrijebite odjeljak za javne komentare u nastavku (pratite smjernice).
Vaše povratne informacije su nam važne. Međutim, zbog količine poruka, ne jamčimo pojedinačne odgovore.
Vaša adresa e-pošte koristi se samo kako bi primatelji znali tko je poslao e-poštu. Ni vaša adresa ni adresa primatelja neće se koristiti u bilo koju drugu svrhu. Informacije koje unesete pojavit će se u vašoj e-pošti i Phys.org ih neće zadržati ni u kojem slučaju oblik.
Primajte tjedne i/ili dnevne novosti u svoju pristiglu poštu. Možete otkazati pretplatu u bilo kojem trenutku, a mi nikada nećemo dijeliti vaše podatke s trećim stranama.
Ova web stranica koristi kolačiće za pomoć pri navigaciji, analizu vašeg korištenja naših usluga, prikupljanje podataka za personalizaciju oglašavanja i posluživanje sadržaja trećih strana. Korištenjem naše web stranice potvrđujete da ste pročitali i razumjeli našu Politiku privatnosti i Uvjete korištenja.
Vrijeme objave: 28. lipnja 2022