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 i tassi di transizione quantistica causati dalle collisioni tra molecole ed elettroni. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, forniscono le prime prove sperimentali di tale rapporto, che in precedenza era stato stimato solo in teoria.
"Quando elettroni e ioni molecolari sono presenti in un gas debolmente ionizzato, la popolazione di molecole di livello quantico più basso può cambiare durante le collisioni", ha detto a Phys.org Ábel Kálosi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "Un esempio di questo il processo è nelle nubi interstellari, dove le osservazioni mostrano che le molecole si trovano prevalentemente nei loro stati quantici 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 la forza con cui gli elettroni liberi interagiscono con le molecole durante le collisioni e alla fine cambiano il loro stato di rotazione. Tuttavia, finora, le loro previsioni teoriche non sono state testate in un contesto sperimentale.
"Finora non sono state effettuate misurazioni per determinare la validità della variazione dei livelli di energia rotazionale per una data densità elettronica e temperatura", spiega Kálosi.
Per raccogliere questa misurazione, Kálosi e i suoi colleghi hanno portato molecole cariche isolate a stretto contatto con gli elettroni a temperature intorno ai 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 accumulo criogenico presso il Max-Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, in Germania, progettato per fasci di ioni molecolari selettivi per specie. In questo anello, le molecole si muovono in orbite simili a una pista in un volume criogenico che viene 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. "Gli anelli di stoccaggio criogenico 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 ioni molecolari.Gli ioni vengono immagazzinati per diversi minuti in questo anello, un laser viene utilizzato per interrogare l'energia di rotazione degli ioni molecolari.
Scegliendo una lunghezza d'onda ottica specifica per la sua 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 consentito loro di rilevare i cambiamenti nella popolazione orizzontale nelle condizioni di bassa temperatura impostate nell'esperimento.
"Per misurare il processo di collisioni che cambiano 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 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, 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 ioni molecolari CH+.
"Abbiamo scoperto che il tasso di transizione rotazionale indotto 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 più basso livello di energia nei sistemi quantistici freddi e isolati".
Oltre a confermare per la prima volta le previsioni teoriche in un ambiente sperimentale, il recente lavoro di questo gruppo di ricercatori potrebbe avere importanti implicazioni di ricerca. Ad esempio, i loro risultati suggeriscono che la misurazione del tasso di variazione dei livelli di energia quantistica indotta dagli elettroni potrebbe essere cruciale quando si analizzano i deboli segnali 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 è 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 specie molecolari più biatomiche e poliatomiche", aggiunge Kálosi. "Questo aprirà la strada a studi di collisione di elettroni utilizzando un gran numero di ioni molecolari aggiuntivi .Le misurazioni di laboratorio di questo tipo continueranno ad essere integrate, specialmente nell'astronomia osservativa, utilizzando potenti osservatori come l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Cile."
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Tempo di pubblicazione: 28-giu-2022