Όταν είναι ελεύθερο σε ψυχρό χώρο, το μόριο θα κρυώσει αυθόρμητα επιβραδύνοντας την περιστροφή του και χάνοντας περιστροφική ενέργεια σε κβαντικές μεταβάσεις. Οι φυσικοί έχουν δείξει ότι αυτή η περιστροφική διαδικασία ψύξης μπορεί να επιταχυνθεί, να επιβραδυνθεί ή ακόμα και να αναστραφεί από συγκρούσεις μορίων με τα γύρω σωματίδια .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
Ερευνητές στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max-Planck στη Γερμανία και στο Αστροφυσικό Εργαστήριο της Κολούμπια διεξήγαγαν πρόσφατα ένα πείραμα με στόχο τη μέτρηση των ρυθμών κβαντικής μετάπτωσης που προκαλούνται από συγκρούσεις μεταξύ μορίων και ηλεκτρονίων. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, παρέχουν τα πρώτα πειραματικά στοιχεία αυτής της αναλογίας, η οποία είχε προηγουμένως εκτιμηθεί μόνο θεωρητικά.
«Όταν υπάρχουν ηλεκτρόνια και μοριακά ιόντα σε ένα ασθενώς ιονισμένο αέριο, ο πληθυσμός μορίων χαμηλότερου κβαντικού επιπέδου μπορεί να αλλάξει κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων», είπε ο Ábel Kálosi, ένας από τους ερευνητές που διεξήγαγαν τη μελέτη, στο Phys.org.» Ένα παράδειγμα αυτού. Η διαδικασία είναι στα διαστρικά νέφη, όπου οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι τα μόρια βρίσκονται κυρίως στη χαμηλότερη κβαντική τους κατάσταση. Η έλξη μεταξύ αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων μοριακών ιόντων καθιστά τη διαδικασία σύγκρουσης ηλεκτρονίων ιδιαίτερα αποτελεσματική».
Για χρόνια, οι φυσικοί προσπαθούσαν θεωρητικά να προσδιορίσουν πόσο έντονα ελεύθερα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με μόρια κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων και τελικά αλλάζουν την περιστροφική τους κατάσταση. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, οι θεωρητικές προβλέψεις τους δεν έχουν δοκιμαστεί σε πειραματικό περιβάλλον.
«Μέχρι τώρα, δεν έχουν γίνει μετρήσεις για τον προσδιορισμό της εγκυρότητας της αλλαγής στα επίπεδα περιστροφικής ενέργειας για μια δεδομένη πυκνότητα και θερμοκρασία ηλεκτρονίων», εξηγεί ο Kálosi.
Για να συγκεντρώσουν αυτή τη μέτρηση, ο Kálosi και οι συνεργάτες του έφεραν απομονωμένα φορτισμένα μόρια σε στενή επαφή με ηλεκτρόνια σε θερμοκρασίες περίπου 25 Kelvin. Αυτό τους επέτρεψε να δοκιμάσουν πειραματικά θεωρητικές υποθέσεις και προβλέψεις που περιγράφηκαν σε προηγούμενες εργασίες.
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν κρυογονικό δακτύλιο αποθήκευσης στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max-Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, σχεδιασμένο για δέσμες μοριακών ιόντων που επιλέγουν τα είδη. εκκενώνεται σε μεγάλο βαθμό από άλλα αέρια υποβάθρου.
«Σε έναν κρυογονικό δακτύλιο, τα αποθηκευμένα ιόντα μπορούν να ψυχθούν με ακτινοβολία στη θερμοκρασία των τοιχωμάτων του δακτυλίου, αποδίδοντας ιόντα γεμάτα στα χαμηλότερα λίγα κβαντικά επίπεδα», εξηγεί ο Kálosi. το μόνο εξοπλισμένο με μια ειδικά σχεδιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων που μπορεί να κατευθυνθεί σε επαφή με μοριακά ιόντα. Τα ιόντα αποθηκεύονται για αρκετά λεπτά σε αυτόν τον δακτύλιο, ένα λέιζερ χρησιμοποιείται για να διερευνήσει την περιστροφική ενέργεια των μοριακών ιόντων».
Επιλέγοντας ένα συγκεκριμένο οπτικό μήκος κύματος για το λέιζερ ανιχνευτή της, η ομάδα θα μπορούσε να καταστρέψει ένα μικρό κλάσμα των αποθηκευμένων ιόντων εάν τα επίπεδα περιστροφικής ενέργειας ταίριαζαν με αυτό το μήκος κύματος. Στη συνέχεια ανίχνευσαν θραύσματα των διαταραγμένων μορίων για να λάβουν τα λεγόμενα φασματικά σήματα.
Η ομάδα συνέλεξε τις μετρήσεις της παρουσία και απουσία συγκρούσεων ηλεκτρονίων. Αυτό τους επέτρεψε να ανιχνεύσουν αλλαγές στον οριζόντιο πληθυσμό υπό τις συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας που ορίστηκαν στο πείραμα.
"Για να μετρηθεί η διαδικασία των περιστροφικών συγκρούσεων που αλλάζουν κατάσταση, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι υπάρχει μόνο το χαμηλότερο επίπεδο περιστροφικής ενέργειας στο μοριακό ιόν", είπε ο Kálosi." Ως εκ τούτου, σε εργαστηριακά πειράματα, τα μοριακά ιόντα πρέπει να διατηρούνται σε εξαιρετικά κρύο όγκους, χρησιμοποιώντας κρυογονική ψύξη σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου, η οποία συχνά είναι κοντά στα 300 Kelvin. Σε αυτόν τον τόμο, τα μόρια μπορούν να απομονωθούν από τα πανταχού παρόντα μόρια, την υπέρυθρη θερμική ακτινοβολία του περιβάλλοντός μας».
Στα πειράματά τους, ο Kálosi και οι συνάδελφοί του κατάφεραν να επιτύχουν πειραματικές συνθήκες στις οποίες οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων κυριαρχούν στις μεταπτώσεις ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας αρκετά ηλεκτρόνια, μπορούσαν να συλλέξουν ποσοτικές μετρήσεις των συγκρούσεων ηλεκτρονίων με μοριακά ιόντα CH+.
«Βρήκαμε ότι ο ρυθμός περιστροφικής μετάβασης που προκαλείται από ηλεκτρόνια ταιριάζει με προηγούμενες θεωρητικές προβλέψεις», είπε ο Kálosi.» Οι μετρήσεις μας παρέχουν την πρώτη πειραματική δοκιμή των υπαρχουσών θεωρητικών προβλέψεων. Αναμένουμε ότι οι μελλοντικοί υπολογισμοί θα επικεντρωθούν περισσότερο στις πιθανές επιπτώσεις των συγκρούσεων ηλεκτρονίων στους πληθυσμούς χαμηλότερου ενεργειακού επιπέδου σε ψυχρά, απομονωμένα κβαντικά συστήματα».
Εκτός από την επιβεβαίωση θεωρητικών προβλέψεων σε πειραματικό περιβάλλον για πρώτη φορά, η πρόσφατη εργασία αυτής της ομάδας ερευνητών μπορεί να έχει σημαντικές ερευνητικές επιπτώσεις. Για παράδειγμα, τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι η μέτρηση του ρυθμού μεταβολής των επιπέδων κβαντικής ενέργειας που προκαλείται από τα ηλεκτρόνια θα μπορούσε να είναι ζωτικής σημασίας όταν αναλύονται τα ασθενή σήματα των μορίων στο διάστημα που ανιχνεύονται από ραδιοτηλεσκόπια ή η χημική αντιδραστικότητα σε λεπτό και ψυχρό πλάσμα.
Στο μέλλον, αυτή η εργασία θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για νέες θεωρητικές μελέτες που εξετάζουν πιο προσεκτικά την επίδραση των συγκρούσεων ηλεκτρονίων στην κατάληψη των επιπέδων περιστροφικής κβαντικής ενέργειας σε ψυχρά μόρια. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει να καταλάβουμε πού οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων έχουν το ισχυρότερο αποτέλεσμα, κάνοντας είναι δυνατό να διεξαχθούν πιο λεπτομερή πειράματα στο πεδίο.
«Στον δακτύλιο κρυογονικής αποθήκευσης, σχεδιάζουμε να εισαγάγουμε πιο ευέλικτη τεχνολογία λέιζερ για να ανιχνεύσουμε τα επίπεδα περιστροφικής ενέργειας περισσότερων διατομικών και πολυατομικών μοριακών ειδών», προσθέτει ο Kálosi.» Αυτό θα ανοίξει το δρόμο για μελέτες σύγκρουσης ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας μεγάλο αριθμό πρόσθετων μοριακών ιόντων . Οι εργαστηριακές μετρήσεις αυτού του τύπου θα συνεχίσουν να συμπληρώνονται, ειδικά στην παρατηρησιακή αστρονομία χρησιμοποιώντας ισχυρά παρατηρητήρια όπως το Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array στη Χιλή. ”
Χρησιμοποιήστε αυτήν τη φόρμα εάν αντιμετωπίζετε ορθογραφικά λάθη, ανακρίβειες ή θέλετε να στείλετε αίτημα επεξεργασίας για το περιεχόμενο αυτής της σελίδας. Για γενικές ερωτήσεις, χρησιμοποιήστε τη φόρμα επικοινωνίας μας. Για γενικά σχόλια, χρησιμοποιήστε την ενότητα δημοσίων σχολίων παρακάτω (παρακαλώ ακολουθήστε τις κατευθυντήριες γραμμές).
Τα σχόλιά σας είναι σημαντικά για εμάς. Ωστόσο, λόγω του όγκου των μηνυμάτων, δεν εγγυόμαστε μεμονωμένες απαντήσεις.
Η διεύθυνση email σας χρησιμοποιείται μόνο για να ενημερώνει τους παραλήπτες ποιος έστειλε το email. Ούτε η διεύθυνσή σας ούτε η διεύθυνση του παραλήπτη θα χρησιμοποιηθούν για οποιονδήποτε άλλο σκοπό. Οι πληροφορίες που εισάγετε θα εμφανίζονται στο email σας και δεν θα διατηρηθούν από το Phys.org σε κανένα μορφή.
Λάβετε εβδομαδιαίες ή/και ημερήσιες ενημερώσεις που παραδίδονται στα εισερχόμενά σας. Μπορείτε να καταργήσετε την εγγραφή σας ανά πάσα στιγμή και δεν θα κοινοποιήσουμε ποτέ τα στοιχεία σας σε τρίτους.
Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί cookies για να βοηθήσει στην πλοήγηση, να αναλύσει τη χρήση των υπηρεσιών μας από εσάς, να συλλέξει δεδομένα για εξατομίκευση διαφημίσεων και να εξυπηρετήσει περιεχόμενο από τρίτα μέρη. Χρησιμοποιώντας τον ιστότοπό μας, αναγνωρίζετε ότι έχετε διαβάσει και κατανοήσει την Πολιτική Απορρήτου και τους Όρους Χρήσης μας.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-28-2022