Quando è libera nello spazio freddo, la molecola si raffredda spontaneamente rallentando la sua rotazione e perdendo energia rotazionale nelle transizioni quantistiche. I fisici hanno dimostrato che questo processo di raffreddamento rotazionale può essere accelerato, rallentato o addirittura invertito dalle collisioni delle molecole con le particelle circostanti .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
I ricercatori del Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Germania e del Columbia Astrophysical Laboratory hanno recentemente condotto un esperimento volto a misurare la velocità di transizione quantistica causata dalle collisioni tra molecole ed elettroni. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, forniscono la prima prova sperimentale di questo rapporto, che in precedenza era stato stimato solo teoricamente.
"Quando elettroni e ioni molecolari sono presenti in un gas debolmente ionizzato, la popolazione di molecole a livello quantico più basso può cambiare durante le collisioni", ha detto a Phys.org Ábel Kálosi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. Il processo avviene nelle nubi interstellari, dove le osservazioni mostrano che le molecole si trovano prevalentemente nei loro stati quantistici più bassi. L’attrazione tra elettroni caricati negativamente e ioni molecolari caricati positivamente rende il processo di collisione degli elettroni particolarmente efficiente”.
Per anni, i fisici hanno cercato di determinare teoricamente quanto fortemente gli elettroni liberi interagiscono con le molecole durante le collisioni e, infine, cambiano il loro stato rotazionale. Tuttavia, finora, le loro previsioni teoriche non sono state testate in un contesto sperimentale.
«Fino ad ora non era stata effettuata alcuna misurazione per determinare la validità del cambiamento nei livelli di energia rotazionale per una data densità elettronica e temperatura», spiega Kálosi.
Per ottenere questa misurazione, Kálosi e i suoi colleghi hanno portato molecole cariche isolate a stretto contatto con gli elettroni a temperature intorno a 25 Kelvin. Ciò ha permesso loro di testare sperimentalmente le ipotesi teoriche e le previsioni delineate nei lavori precedenti.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un anello di stoccaggio criogenico presso l'Istituto Max-Planck di fisica nucleare di Heidelberg, in Germania, progettato per fasci di ioni molecolari specie-selettivi. In questo anello, le molecole si muovono in orbite simili a piste in un volume criogenico che è in gran parte svuotato da qualsiasi altro gas di fondo.
“In un anello criogenico, gli ioni immagazzinati possono essere raffreddati radiativamente alla temperatura delle pareti dell’anello, producendo ioni riempiti ai livelli quantici più bassi”, spiega Kálosi. “Anelli di stoccaggio criogenici sono stati recentemente costruiti in diversi paesi, ma la nostra struttura è l'unico dotato di un fascio di elettroni appositamente progettato che può essere diretto a contatto con gli ioni molecolari. Gli ioni vengono immagazzinati per diversi minuti in questo anello, un laser viene utilizzato per interrogare l’energia rotazionale degli ioni molecolari”.
Scegliendo una lunghezza d'onda ottica specifica per la sonda laser, il team potrebbe distruggere una piccola frazione degli ioni immagazzinati se i loro livelli di energia rotazionale corrispondessero a quella lunghezza d'onda. Hanno quindi rilevato frammenti delle molecole disgregate per ottenere i cosiddetti segnali spettrali.
Il team ha raccolto le misurazioni in presenza e in assenza di collisioni di elettroni. Ciò ha permesso loro di rilevare i cambiamenti nella popolazione orizzontale nelle condizioni di bassa temperatura impostate nell'esperimento.
"Per misurare il processo di collisioni che cambiano lo stato rotazionale, è necessario garantire che ci sia solo il livello di energia rotazionale più basso nello ione molecolare", ha detto Kálosi. "Quindi, negli esperimenti di laboratorio, gli ioni molecolari devono essere mantenuti in ambienti estremamente freddi". volumi, utilizzando il raffreddamento criogenico a temperature ben al di sotto della temperatura ambiente, che spesso è vicina a 300 Kelvin. In questo volume, le molecole possono essere isolate da molecole onnipresenti, dalla radiazione termica infrarossa del nostro ambiente.”
Nei loro esperimenti, Kálosi e i suoi colleghi sono stati in grado di ottenere condizioni sperimentali in cui le collisioni di elettroni dominano le transizioni radiative. Utilizzando un numero sufficiente di elettroni, hanno potuto raccogliere misurazioni quantitative delle collisioni di elettroni con gli ioni molecolari CH+.
“Abbiamo scoperto che la velocità di transizione rotazionale indotta dagli elettroni corrisponde alle precedenti previsioni teoriche”, ha detto Kálosi. “Le nostre misurazioni forniscono il primo test sperimentale delle previsioni teoriche esistenti. Prevediamo che i calcoli futuri si concentreranno maggiormente sui possibili effetti delle collisioni di elettroni sulle popolazioni a livello energetico più basso nei sistemi quantistici freddi e isolati”.
Oltre a confermare per la prima volta le previsioni teoriche in un contesto sperimentale, il recente lavoro di questo gruppo di ricercatori potrebbe avere importanti implicazioni nella ricerca. Ad esempio, i loro risultati suggeriscono che misurare il tasso di cambiamento indotto dagli elettroni nei livelli di energia quantistica potrebbe essere cruciale quando si analizzano i segnali deboli delle molecole nello spazio rilevati dai radiotelescopi o la reattività chimica nei plasmi sottili e freddi.
In futuro, questo articolo potrebbe aprire la strada a nuovi studi teorici che considerino più da vicino l'effetto delle collisioni di elettroni sull'occupazione dei livelli di energia quantistica rotazionale nelle molecole fredde. Ciò potrebbe aiutare a capire dove le collisioni di elettroni hanno l'effetto più forte, rendendo possibile condurre esperimenti più dettagliati sul campo.
“Nell’anello di stoccaggio criogenico, prevediamo di introdurre una tecnologia laser più versatile per sondare i livelli di energia rotazionale di più specie molecolari biatomiche e poliatomiche”, aggiunge Kálosi. “Ciò aprirà la strada a studi sulla collisione di elettroni utilizzando un gran numero di ioni molecolari aggiuntivi . Le misurazioni di laboratorio di questo tipo continueranno a essere integrate, soprattutto nell’astronomia osservativa utilizzando potenti osservatori come l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Cile. "
Utilizza questo modulo se riscontri errori di ortografia, imprecisioni o desideri inviare una richiesta di modifica per il contenuto di questa pagina. Per domande generali, utilizza il nostro modulo di contatto. Per feedback generale, utilizza la sezione commenti pubblici di seguito (segui le linee guida).
Il tuo feedback è importante per noi. Tuttavia, a causa del volume dei messaggi, non garantiamo risposte individuali.
Il tuo indirizzo email viene utilizzato solo per far sapere ai destinatari chi ha inviato l'email. Né il tuo indirizzo né quello del destinatario verranno utilizzati per nessun altro scopo. Le informazioni inserite appariranno nella tua email e non saranno conservate da Phys.org in nessun caso. modulo.
Ricevi aggiornamenti settimanali e/o giornalieri direttamente nella tua casella di posta. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento e non condivideremo mai i tuoi dati con terze parti.
Questo sito Web utilizza cookie per facilitare la navigazione, analizzare l'utilizzo dei nostri servizi, raccogliere dati per la personalizzazione della pubblicità e fornire contenuti di terze parti. Utilizzando il nostro sito Web, confermi di aver letto e compreso la nostra Informativa sulla privacy e le Condizioni d'uso.
Orario di pubblicazione: 28 giugno 2022