Использование лазерной технологии для измерения вращательного охлаждения молекулярных ионов, сталкивающихся с электронами
Находясь на свободе в холодном космосе, молекула самопроизвольно охлаждается, замедляя свое вращение и теряя вращательную энергию при квантовых переходах. Физики показали, что этот вращательный процесс охлаждения может быть ускорен, замедлен и даже обращен вспять при столкновении молекулы с окружающими частицами.
Упрощенная схема эксперимента, показывающая соответствующие части криогенного накопительного кольца (CSR). Красная и синяя траектории обозначают ионный и электронный лучи соответственно. Накопленные ионы могут взаимодействовать с объединенным электронным пучком или с импульсным лазерным лучом (фиолетовая пунктирная линия). Продукты лазерного взаимодействия нейтральны и продолжают баллистически (зеленая стрелка) до тех пор, пока не будут собраны на детекторе подсчета частиц. Предоставлено: Kalosi et al.
Исследователи из Института ядерной физики им. Макса Планка в Германии и Колумбийской астрофизической лаборатории недавно провели эксперимент, направленный на измерение скорости квантовых переходов, вызванных столкновениями между молекулами и электронами. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters, предлагают первое экспериментальное свидетельство этой скорости, которая ранее оценивалась только теоретически.
«Когда электроны и молекулярные ионы присутствуют в разреженных ионизированных газах, заселенности самых нижних квантовых уровней молекул могут изменяться в процессе столкновения», — сказал Phys.org Абель Калоси, один из исследователей, проводивших исследование. «Одним из примеров этого процесса являются межзвездные облака, где наблюдения обнаруживают молекулы преимущественно в их низших квантовых состояниях. Сила притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными молекулярными ионами делает процесс электронных столкновений особенно эффективным».
Физики уже много лет пытаются теоретически определить силу, с которой свободный электрон взаимодействует с молекулой при столкновениях и в конечном итоге изменяет вращательное состояние молекулы. Однако до сих пор их теоретические предсказания не были проверены в экспериментальных условиях.
«До сих пор ни одно измерение не могло определить эффективность изменений вращательного уровня для заданной плотности электронов и температуры», — объяснил Калози.
Чтобы провести это измерение, Калоси и его коллеги поместили изолированные заряженные молекулы в тесный контакт с электронами при температуре примерно 25 Кельвинов. Это позволило им экспериментально проверить теоретические гипотезы и предсказания, изложенные в предыдущих работах.
В своем эксперименте исследователи использовали криогенное накопительное кольцо в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге, Германия, предназначенное для пучков молекулярных ионов, отобранных по видам. В этом кольце молекулы движутся по орбите, похожей на беговую дорожку, в криогенном объеме, который в очень высокой степени освобожден от любого другого фонового газа.
«В криогенном кольце хранящиеся ионы могут радиационно охлаждаться до температуры стенок кольца, генерируя ионы, которые заселены на своих самых нижних квантовых уровнях», — объяснил Калози. «Недавно в нескольких странах было построено несколько криогенных накопительных колец, но наша установка — единственная, оснащенная специально разработанным электронным пучком, который можно направить так, чтобы он вступил в контакт с молекулярными ионами. Ионы хранятся в течение многих минут. в этом кольце, и лазер используется для исследования вращательной энергии молекулярных ионов».
Представление художника о столкновении с изменением вращательного состояния между молекулярной мишенью (CH+) и электроном. Вращательные квантовые состояния молекулы, помеченной буквой J, квантуются и разделяются четко определенными шагами по энергии. Только когда энергия столкновения частиц превышает этот порог, квантовое число J может увеличиваться при столкновении. В противном случае мы наблюдаем чистое уменьшение J, которое является вращательным охлаждающим эффектом столкновений, как в нашем эксперименте. Предоставлено: Kalosi et al.
Выбрав определенную оптическую длину волны для своего зондирующего лазера, команда могла уничтожить очень небольшую часть хранимых ионов, если их уровень вращательной энергии соответствовал этой длине волны. Затем они обнаружили фрагменты разрушенных молекул, чтобы получить так называемый сигнал спектроскопии.
Команда собрала свои измерения как при наличии, так и при отсутствии столкновений электронов. Это позволило им обнаружить изменения населенности уровней в криогенных условиях, заданных в их эксперименте.
«Чтобы измерить процесс столкновений с изменением вращательного состояния, нужно убедиться, что в молекулярных ионах заселены только самые низкие уровни вращательной энергии», — сказал Калози. «Следовательно, в лабораторном эксперименте молекулярные ионы должны храниться в чрезвычайно холодном объеме, с использованием криогенного охлаждения до температуры, значительно более низкой, чем обычная комнатная температура около 300 Кельвинов. В этом объеме молекулы могут быть изолированы от вездесущего, инфракрасное тепловое излучение нашей окружающей среды».
В своем эксперименте Калоси и его коллеги смогли реализовать экспериментальные условия, в которых столкновения электронов преобладали над радиационными переходами. Используя достаточное количество электронов, они могли затем провести количественные измерения электронных столкновений с молекулярными ионами CH + .
«Мы обнаружили скорости индуцированных электронами вращательных переходов, совместимые с предыдущими теоретическими предсказаниями», — сказал Калози. «Наши измерения обеспечили первую экспериментальную проверку существующих теоретических предсказаний. Мы ожидаем, что будущие расчеты будут в большей степени сосредоточены на возможном влиянии электронных столкновений на заселенность самых низких энергетических уровней в холодных изолированных квантовых системах».
В дополнение к подтверждению теоретических предсказаний в экспериментальных условиях впервые, недавняя работа этой группы исследователей может иметь важные исследовательские последствия. Например, их результаты показывают, что измерение индуцированных электронами скоростей изменений квантового уровня может иметь решающее значение при анализе слабых сигналов молекул в космосе, обнаруженных радиотелескопами, или химической активности в разбавленной и холодной плазме.
В будущем эта статья может проложить путь к новым теоретическим исследованиям, которые более внимательно рассматривают влияние электронных столкновений на заполнение вращательных квантовых уровней в холодных молекулах. Это могло бы помочь выделить случаи, в которых электронные столкновения имеют самые сильные эффекты, что потенциально может привести к более подробным экспериментам в этой области.
«На криогенном накопительном кольце мы планируем внедрить более универсальные лазерные методы для исследования уровней энергии вращения для большего количества двухатомных и многоатомных молекулярных видов», — добавил Калози. «Это проложит путь для изучения электронных столкновений с большим количеством дополнительных молекулярных ионов. Этот тип лабораторных измерений будет продолжать дополнять, особенно наблюдательную астрономию, с использованием мощных обсерваторий, таких как Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакама в Чили».
