Cuando está libre en un espacio frío, la molécula se enfriará espontáneamente al ralentizar su rotación y perder energía rotacional en transiciones cuánticas. Los físicos han demostrado que este proceso de enfriamiento rotacional puede acelerarse, ralentizarse o incluso invertirse mediante colisiones de moléculas con partículas circundantes. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Investigadores del Instituto Max-Planck de Física Nuclear de Alemania y del Laboratorio de Astrofísica de Columbia realizaron recientemente un experimento destinado a medir las tasas de transición cuántica causadas por colisiones entre moléculas y electrones. Sus hallazgos, publicados en Physical Review Letters, proporcionan la primera evidencia experimental de esta relación, que hasta ahora sólo se había estimado teóricamente.
“Cuando los electrones y los iones moleculares están presentes en un gas débilmente ionizado, la población de moléculas de nivel cuántico más bajo puede cambiar durante las colisiones”, dijo a Phys.org Ábel Kálosi, uno de los investigadores que realizó el estudio. El proceso tiene lugar en las nubes interestelares, donde las observaciones muestran que las moléculas se encuentran predominantemente en sus estados cuánticos más bajos. La atracción entre electrones cargados negativamente y iones moleculares cargados positivamente hace que el proceso de colisión de electrones sea particularmente eficiente”.
Durante años, los físicos han estado tratando de determinar teóricamente con qué fuerza los electrones libres interactúan con las moléculas durante las colisiones y, en última instancia, cambian su estado de rotación. Sin embargo, hasta ahora, sus predicciones teóricas no han sido probadas en un entorno experimental.
“Hasta ahora no se han realizado mediciones para determinar la validez del cambio en los niveles de energía rotacional para una densidad electrónica y una temperatura determinadas”, explica Kálosi.
Para recopilar esta medida, Kálosi y sus colegas pusieron en estrecho contacto moléculas cargadas aisladas con electrones a temperaturas de alrededor de 25 Kelvin. Esto les permitió probar experimentalmente suposiciones teóricas y predicciones descritas en trabajos anteriores.
En sus experimentos, los investigadores utilizaron un anillo de almacenamiento criogénico en el Instituto Max-Planck de Física Nuclear en Heidelberg, Alemania, diseñado para haces de iones moleculares selectivos de especies. En este anillo, las moléculas se mueven en órbitas similares a pistas de carreras en un volumen criogénico que se vacía en gran medida de cualquier otro gas ambiental.
"En un anillo criogénico, los iones almacenados se pueden enfriar radiativamente hasta la temperatura de las paredes del anillo, produciendo iones llenos en los niveles cuánticos más bajos", explica Kálosi. Recientemente se han construido anillos de almacenamiento criogénico en varios países, pero nuestras instalaciones son el único equipado con un haz de electrones especialmente diseñado que puede dirigirse al contacto con iones moleculares. Los iones se almacenan durante varios minutos en este anillo y se utiliza un láser para investigar la energía de rotación de los iones moleculares”.
Al elegir una longitud de onda óptica específica para su sonda láser, el equipo pudo destruir una pequeña fracción de los iones almacenados si sus niveles de energía rotacional coincidieran con esa longitud de onda. Luego detectaron fragmentos de las moléculas alteradas para obtener las llamadas señales espectrales.
El equipo recopiló sus mediciones en presencia y ausencia de colisiones de electrones, lo que les permitió detectar cambios en la población horizontal en las condiciones de baja temperatura establecidas en el experimento.
"Para medir el proceso de colisiones que cambian el estado rotacional, es necesario asegurarse de que sólo exista el nivel más bajo de energía rotacional en el ion molecular", dijo Kálosi. "Por lo tanto, en experimentos de laboratorio, los iones moleculares deben mantenerse en temperaturas extremadamente frías volúmenes, utilizando enfriamiento criogénico a temperaturas muy por debajo de la temperatura ambiente, que a menudo se acerca a los 300 Kelvin. En este volumen, se pueden aislar moléculas de moléculas ubicuas, la radiación térmica infrarroja de nuestro entorno”.
En sus experimentos, Kálosi y sus colegas lograron condiciones experimentales en las que las colisiones de electrones dominan las transiciones radiativas. Utilizando suficientes electrones, pudieron recopilar mediciones cuantitativas de las colisiones de electrones con iones moleculares CH+.
"Descubrimos que la velocidad de transición rotacional inducida por electrones coincide con las predicciones teóricas anteriores", dijo Kálosi. "Nuestras mediciones proporcionan la primera prueba experimental de las predicciones teóricas existentes. Anticipamos que los cálculos futuros se centrarán más en los posibles efectos de las colisiones de electrones en las poblaciones de niveles de energía más bajos en sistemas cuánticos fríos y aislados”.
Además de confirmar por primera vez las predicciones teóricas en un entorno experimental, el trabajo reciente de este grupo de investigadores puede tener importantes implicaciones de investigación. Por ejemplo, sus hallazgos sugieren que medir la tasa de cambio inducida por electrones en los niveles de energía cuántica podría ser crucial a la hora de analizar las señales débiles de las moléculas en el espacio detectadas por radiotelescopios o la reactividad química en plasmas finos y fríos.
En el futuro, este artículo podría allanar el camino para nuevos estudios teóricos que consideren más de cerca el efecto de las colisiones de electrones en la ocupación de niveles de energía cuántica rotacional en moléculas frías. Esto podría ayudar a descubrir dónde las colisiones de electrones tienen el efecto más fuerte, haciendo posible realizar experimentos más detallados en el campo.
"En el anillo de almacenamiento criogénico, planeamos introducir una tecnología láser más versátil para sondear los niveles de energía rotacional de más especies moleculares diatómicas y poliatómicas", añade Kálosi. "Esto allanará el camino para estudios de colisión de electrones utilizando una gran cantidad de iones moleculares adicionales . Se seguirán complementando mediciones de laboratorio de este tipo, especialmente en astronomía observacional, utilizando potentes observatorios como el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array en Chile. "
Utilice este formulario si encuentra errores ortográficos, inexactitudes o desea enviar una solicitud de edición para el contenido de esta página. Para consultas generales, utilice nuestro formulario de contacto. Para comentarios generales, utilice la sección de comentarios públicos a continuación (siga las directrices).
Tus comentarios son importantes para nosotros. Sin embargo, debido al volumen de mensajes, no garantizamos respuestas individuales.
Su dirección de correo electrónico solo se utiliza para que los destinatarios sepan quién envió el correo electrónico. Ni su dirección ni la dirección del destinatario se utilizarán para ningún otro propósito. La información que ingrese aparecerá en su correo electrónico y Phys.org no la conservará de ninguna manera. forma.
Reciba actualizaciones semanales y/o diarias en su bandeja de entrada. Puede cancelar su suscripción en cualquier momento y nunca compartiremos sus datos con terceros.
Este sitio web utiliza cookies para ayudar con la navegación, analizar su uso de nuestros servicios, recopilar datos para personalizar la publicidad y ofrecer contenido de terceros. Al utilizar nuestro sitio web, usted reconoce que ha leído y comprendido nuestra Política de privacidad y Términos de uso.
Hora de publicación: 28 de junio de 2022