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Enfriamiento rotacional de colisiones moleculares de iones y electrones medido con tecnología láser

Cuando está libre en el espacio frío, la molécula se enfriará espontáneamente al ralentizar su rotación y perder energía rotacional en las 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 en Alemania y del Laboratorio Astrofísico 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, brindan la primera evidencia experimental de este ratio, que hasta ahora solo se ha 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. "Un ejemplo de esto El proceso se encuentra en las nubes interestelares, donde las observaciones muestran que las moléculas se encuentran predominantemente en sus estados cuánticos más bajos.La atracción entre los electrones cargados negativamente y los iones moleculares cargados positivamente hace que el proceso de colisión de electrones sea particularmente eficiente”.
Durante años, los físicos han tratado de determinar teóricamente con qué fuerza interactúan los electrones libres con las moléculas durante las colisiones y, en última instancia, cambian su estado de rotación. Sin embargo, hasta ahora, sus predicciones teóricas no se han probado en un entorno experimental.
“Hasta ahora, no se han realizado mediciones para determinar la validez del cambio en los niveles de energía de rotación para una determinada densidad electrónica y temperatura”, 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 las suposiciones teóricas y las 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 las de una pista de carreras en un volumen criogénico que se vacía en gran parte de cualquier otro gas de fondo.
“En un anillo criogénico, los iones almacenados se pueden enfriar por radiación a 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 nuestra instalación es el único equipado con un haz de electrones especialmente diseñado que puede ponerse en contacto con iones moleculares.Los iones se almacenan durante varios minutos en este anillo, se utiliza un láser para interrogar la energía de rotación de los iones moleculares”.
Al elegir una longitud de onda óptica específica para su láser de sonda, el equipo podría destruir una pequeña fracción de los iones almacenados si sus niveles de energía de rotación coincidieran con esa longitud de onda. Luego detectaron fragmentos de las moléculas rotas para obtener las llamadas señales espectrales.
El equipo recopiló sus mediciones en presencia y ausencia de colisiones de electrones. Esto les permitió detectar cambios en la población horizontal en las condiciones de baja temperatura establecidas en el experimento.
“Para medir el proceso de colisiones de cambio de estado rotacional, es necesario asegurarse de que solo haya el nivel de energía rotacional más bajo en el ion molecular”, dijo Kálosi. “Por lo tanto, en los experimentos de laboratorio, los iones moleculares deben mantenerse en condiciones extremadamente frías. volúmenes, utilizando enfriamiento criogénico a temperaturas muy por debajo de la temperatura ambiente, que suele estar cerca de los 300 Kelvin.En este volumen, las moléculas se pueden aislar de las 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. Al usar suficientes electrones, pudieron recopilar mediciones cuantitativas de colisiones de electrones con iones moleculares CH+.
“Descubrimos que la tasa 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 aislados y fríos”.
Además de confirmar las predicciones teóricas en un entorno experimental por primera vez, el trabajo reciente de este grupo de investigadores puede tener importantes implicaciones en la investigación. Por ejemplo, sus hallazgos sugieren que la medición de la tasa de cambio inducida por electrones en los niveles de energía cuántica podría ser crucial al analizar las señales débiles de moléculas en el espacio detectadas por radiotelescopios o la reactividad química en plasmas delgados y fríos.
En el futuro, este documento podría allanar el camino para nuevos estudios teóricos que consideren más de cerca el efecto de las colisiones de electrones en la ocupación de los 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 de rotación de más especies moleculares diatómicas y poliatómicas”, agrega Kálosi. “Esto allanará el camino para los estudios de colisión de electrones utilizando una gran cantidad de iones moleculares adicionales. .Las mediciones de laboratorio de este tipo se seguirán complementando, especialmente en astronomía observacional utilizando observatorios potentes como el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array en Chile.”
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Hora de publicación: 28-jun-2022