קירור סיבובי של התנגשויות יון-אלקטרון מולקולריות שנמדד בטכנולוגיית לייזר

כאשר היא פנויה בחלל קר, המולקולה תתקרר באופן ספונטני על ידי האטת סיבובה ואיבוד אנרגיה סיבובית במעברים קוונטיים. פיזיקאים הראו שניתן להאיץ, להאט או אפילו להפוך תהליך קירור סיבובי זה על ידי התנגשויות של מולקולות עם חלקיקים מסביב. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
חוקרים במכון מקס-פלנק לפיזיקה גרעינית בגרמניה ובמעבדה האסטרופיזיקלית של קולומביה ערכו לאחרונה ניסוי שמטרתו למדוד את שיעורי המעבר הקוונטיים הנגרמים מהתנגשויות בין מולקולות ואלקטרונים. הממצאים שלהם, שפורסמו ב-Physical Review Letters, מספקים את העדות הניסויית הראשונה מהיחס הזה, שקודם לכן נאמד רק תיאורטית.
"כאשר אלקטרונים ויונים מולקולריים נמצאים בגז מיונן חלש, אוכלוסיית הרמה הקוונטית הנמוכה ביותר של מולקולות יכולה להשתנות במהלך התנגשויות", אמר אבל קלוסי, אחד החוקרים שערכו את המחקר, ל-Phys.org. "דוגמה לכך התהליך הוא בעננים בין-כוכביים, שם תצפיות מראות כי מולקולות נמצאות בעיקר במצב הקוונטי הנמוך ביותר שלהן. המשיכה בין אלקטרונים בעלי מטען שלילי ליונים מולקולריים טעונים חיובית הופכת את תהליך התנגשות האלקטרונים ליעיל במיוחד".
במשך שנים, פיסיקאים מנסים לקבוע באופן תיאורטי באיזו חזקה אלקטרונים חופשיים מתקשרים עם מולקולות במהלך התנגשויות ובסופו של דבר משנים את מצב הסיבוב שלהם. עם זאת, עד כה, התחזיות התיאורטיות שלהם לא נבדקו במסגרת ניסיוני.
"עד עכשיו, לא בוצעו מדידות כדי לקבוע את תקפות השינוי ברמות האנרגיה הסיבובית עבור צפיפות אלקטרונים וטמפרטורה נתונות", מסביר קלוסי.
כדי לאסוף את המדידה הזו, קלוסי ועמיתיו הביאו מולקולות טעונות מבודדות במגע הדוק עם אלקטרונים בטמפרטורות סביב 25 קלווין. זה איפשר להם לבחון בניסוי הנחות תיאורטיות ותחזיות שתוארו בעבודות קודמות.
בניסויים שלהם, החוקרים השתמשו בטבעת אחסון קריוגנית במכון מקס-פלנק לפיזיקה גרעינית בהיידלברג, גרמניה, המיועדת לאלומות יונים מולקולריות סלקטיביות של מינים. בטבעת זו, מולקולות נעות במסלולים דמויי מסלול מירוצים בנפח קריוגני אשר מרוקן במידה רבה מכל גזי רקע אחרים.
"בטבעת קריוגנית, יונים מאוחסנים ניתנים לקירור קרינתי לטמפרטורת קירות הטבעת, ומניבים יונים מלאים ברמות הקוונטיות הנמוכות ביותר", מסביר קלוסי. "טבעות אחסון קריוגניות נבנו לאחרונה בכמה מדינות, אך המתקן שלנו הוא היחיד המצויד בקרן אלקטרונים שתוכננה במיוחד שניתן לכוון במגע עם יונים מולקולריים. היונים מאוחסנים במשך מספר דקות בטבעת זו, לייזר משמש כדי לחקור את האנרגיה הסיבובית של יונים מולקולריים".
על ידי בחירת אורך גל אופטי ספציפי עבור לייזר הגשושית שלו, הצוות יכול להשמיד חלק קטן מהיונים המאוחסנים אם רמות האנרגיה הסיבוביות שלהם תואמות את אורך הגל הזה. לאחר מכן הם זיהו שברים של המולקולות המשובשות כדי להשיג מה שנקרא אותות ספקטרלי.
הצוות אסף את המדידות שלהם בנוכחות והעדר התנגשויות אלקטרונים. זה איפשר להם לזהות שינויים באוכלוסייה האופקית בתנאי הטמפרטורה הנמוכים שנקבעו בניסוי.
"כדי למדוד את התהליך של התנגשויות משנות מצב סיבובי, יש צורך להבטיח שקיימת רק את רמת האנרגיה הסיבובית הנמוכה ביותר ביון המולקולרי," אמר קאלוסי." לפיכך, בניסויי מעבדה, יש לשמור יונים מולקולריים בקור מאוד נפחים, תוך שימוש בקירור קריוגני לטמפרטורות הרבה מתחת לטמפרטורת החדר, שהיא לרוב קרובה ל-300 קלווין. בנפח זה ניתן לבודד מולקולות ממולקולות הנמצאות בכל מקום, קרינה תרמית אינפרא אדומה של הסביבה שלנו".
בניסויים שלהם, קלוסי ועמיתיו הצליחו להשיג תנאים ניסויים שבהם התנגשויות אלקטרונים שולטות במעברי קרינה. על ידי שימוש בכמות מספקת של אלקטרונים, הם יכלו לאסוף מדידות כמותיות של התנגשויות אלקטרונים עם יונים מולקולריים CH+.
"מצאנו שקצב המעבר הסיבובי המושרה על ידי אלקטרונים תואם תחזיות תיאורטיות קודמות," אמר קאלוסי. "המדידות שלנו מספקות את המבחן הניסיוני הראשון של התחזיות התיאורטיות הקיימות. אנו צופים שחישובים עתידיים יתמקדו יותר בהשפעות האפשריות של התנגשויות אלקטרונים על האוכלוסיות ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר במערכות קוונטיות קרות ומבודדות".
בנוסף לאישוש תחזיות תיאורטיות במסגרת ניסוי בפעם הראשונה, לעבודה האחרונה של קבוצת חוקרים זו עשויות להיות השלכות מחקריות חשובות. לדוגמה, ממצאיהם מצביעים על כך שמדידת קצב השינוי המושרה על ידי אלקטרונים ברמות האנרגיה הקוונטית יכולה להיות חיוני בעת ניתוח האותות החלשים של מולקולות בחלל שזוהו על ידי טלסקופים רדיו או תגובתיות כימית בפלזמות דקות וקרה.
בעתיד, מאמר זה עשוי לסלול את הדרך למחקרים תיאורטיים חדשים השוקלים ביתר שאת את ההשפעה של התנגשויות אלקטרונים על כיבוש רמות אנרגיה קוונטית סיבובית במולקולות קרות. זה יכול לעזור להבין היכן להתנגשויות אלקטרונים יש את ההשפעה החזקה ביותר, מה שהופך אפשר לערוך ניסויים מפורטים יותר בשטח.
"בטבעת האחסון הקריוגנית, אנו מתכננים להציג טכנולוגיית לייזר רב-תכליתית יותר כדי לחקור את רמות האנרגיה הסיבובית של מינים מולקולריים דו-אטומיים ופוליאטומיים יותר," מוסיף קאלוסי. "זה יסלול את הדרך לחקר התנגשות אלקטרונים תוך שימוש במספר גדול של יונים מולקולריים נוספים . מדידות מעבדה מסוג זה ימשיכו להיות משלימות, במיוחד באסטרונומיה תצפיתית באמצעות מצפה כוכבים רבי עוצמה כמו Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array בצ'ילה. ”
אנא השתמש בטופס זה אם אתה נתקל בשגיאות כתיב, באי דיוקים, או אם אתה רוצה לשלוח בקשת עריכה לתוכן של דף זה. לשאלות כלליות, אנא השתמש בטופס יצירת הקשר שלנו. למשוב כללי, אנא השתמש בסעיף ההערות הציבורי למטה (אנא עקוב אחר ההנחיות).
המשוב שלך חשוב לנו. עם זאת, בשל נפח ההודעות, איננו מבטיחים תגובות בודדות.
כתובת הדוא"ל שלך משמשת רק כדי ליידע את הנמענים מי שלח את הדוא"ל. לא הכתובת שלך ולא כתובת הנמען ישמשו לכל מטרה אחרת. המידע שתזין יופיע בדוא"ל שלך ולא יישמר על ידי Phys.org בשום מקום טוֹפֶס.
קבל עדכונים שבועיים ו/או יומיים לתיבת הדואר הנכנס שלך. אתה יכול לבטל את המנוי בכל עת ולעולם לא נשתף את הפרטים שלך עם צדדים שלישיים.
אתר זה משתמש בקובצי Cookie כדי לסייע בניווט, לנתח את השימוש שלך בשירותים שלנו, לאסוף נתונים להתאמה אישית של פרסום ולהגיש תוכן מצדדים שלישיים. על ידי שימוש באתר שלנו, אתה מאשר שקראת והבנת את מדיניות הפרטיות ותנאי השימוש שלנו.