خنک‌سازی چرخشی برخوردهای یون-الکترون مولکولی با استفاده از فناوری لیزر اندازه‌گیری شد

زمانی که مولکول در فضای سرد آزاد باشد، با کاهش سرعت چرخش خود و از دست دادن انرژی دورانی در انتقال کوانتومی، مولکول به طور خود به خود خنک می شود. فیزیکدانان نشان داده اند که این فرآیند خنک سازی چرخشی می تواند با برخورد مولکول ها با ذرات اطراف شتاب، کند یا حتی معکوس شود. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
محققان موسسه فیزیک هسته ای ماکس پلانک در آلمان و آزمایشگاه اخترفیزیک کلمبیا اخیرا آزمایشی را با هدف اندازه گیری نرخ گذار کوانتومی ناشی از برخورد بین مولکول ها و الکترون ها انجام دادند. یافته های آنها که در Physical Review Letters منتشر شده است، اولین شواهد تجربی را ارائه می دهد. از این نسبت که قبلا فقط به صورت تئوری تخمین زده شده بود.
ابل کالوسی، یکی از محققانی که این مطالعه را انجام داده است، به Phys.org گفت: «وقتی الکترون‌ها و یون‌های مولکولی در یک گاز یونیزه ضعیف وجود دارند، پایین‌ترین جمعیت مولکول‌های سطح کوانتومی می‌توانند در طول برخورد تغییر کنند.» مثالی از این موضوع. این فرآیند در ابرهای بین ستاره ای است، جایی که مشاهدات نشان می دهد که مولکول ها عمدتاً در پایین ترین حالت کوانتومی خود هستند. جاذبه بین الکترون های با بار منفی و یون های مولکولی با بار مثبت، فرآیند برخورد الکترون را بسیار کارآمد می کند.
سال‌هاست که فیزیکدانان تلاش می‌کنند تا به صورت تئوری تعیین کنند که الکترون‌های آزاد با چه شدتی با مولکول‌ها در طول برخوردها برهمکنش می‌کنند و در نهایت حالت چرخشی آنها را تغییر می‌دهند. با این حال، تاکنون، پیش‌بینی‌های نظری آنها در یک محیط آزمایشی آزمایش نشده است.
کالوسی توضیح می‌دهد: «تاکنون هیچ اندازه‌گیری برای تعیین اعتبار تغییر سطوح انرژی دورانی برای چگالی و دمای الکترون معین انجام نشده است».
برای جمع‌آوری این اندازه‌گیری، کالوسی و همکارانش مولکول‌های باردار جدا شده را در دمایی در حدود 25 کلوین در تماس نزدیک با الکترون‌ها آوردند. این به آن‌ها اجازه داد تا پیش‌فرض‌ها و پیش‌بینی‌های نظری را که در کارهای قبلی بیان شده بود، آزمایش کنند.
در آزمایش‌های خود، محققان از یک حلقه ذخیره‌سازی برودتی در مؤسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک در هایدلبرگ، آلمان استفاده کردند که برای پرتوهای یونی مولکولی انتخابی گونه‌ها طراحی شده بود. در این حلقه، مولکول‌ها در مدارهای پیست‌های مسابقه‌ای در حجم برودتی حرکت می‌کنند. تا حد زیادی از هر گاز پس زمینه دیگر خالی می شود.
کالوسی توضیح می‌دهد: «در یک حلقه برودتی، یون‌های ذخیره‌شده را می‌توان به‌صورت تشعشعی تا دمای دیواره‌های حلقه خنک کرد و یون‌هایی را تولید کرد که در پایین‌ترین سطوح کوانتومی پر می‌شوند.» حلقه‌های ذخیره‌سازی برودتی اخیراً در چندین کشور ساخته شده‌اند، اما تأسیسات ما تنها پرتوی مجهز به پرتو الکترونی طراحی شده خاص که می تواند در تماس با یون های مولکولی قرار گیرد. یون ها برای چند دقیقه در این حلقه ذخیره می شوند، از لیزر برای بررسی انرژی چرخشی یون های مولکولی استفاده می شود.
با انتخاب یک طول موج نوری خاص برای لیزر کاوشگر خود، تیم می‌تواند بخش کوچکی از یون‌های ذخیره‌شده را در صورتی که سطوح انرژی دورانی آنها با آن طول موج مطابقت داشته باشد، از بین ببرد. سپس قطعات مولکول‌های مختل‌شده را شناسایی کردند تا سیگنال‌های طیفی را به‌دست آورند.
این تیم اندازه‌گیری‌های خود را در حضور و غیاب برخورد الکترون جمع‌آوری کردند. این به آن‌ها اجازه داد تا تغییرات در جمعیت افقی را تحت شرایط دمای پایین تعیین‌شده در آزمایش تشخیص دهند.
کالوسی گفت: «برای اندازه‌گیری فرآیند برخوردهای تغییر حالت چرخشی، لازم است اطمینان حاصل شود که کمترین سطح انرژی چرخشی در یون مولکولی وجود دارد.» بنابراین، در آزمایش‌های آزمایشگاهی، یون‌های مولکولی باید در بسیار سرد نگهداری شوند. حجم، با استفاده از خنک کننده برودتی تا دمای بسیار کمتر از دمای اتاق، که اغلب نزدیک به 300 کلوین است. در این حجم، مولکول ها را می توان از مولکول های موجود در همه جا، تابش حرارتی مادون قرمز محیط ما جدا کرد.
کالوسی و همکارانش در آزمایش‌های خود توانستند به شرایط تجربی دست یابند که در آن برخورد الکترون بر انتقال تابشی غالب است. با استفاده از الکترون‌های کافی، آنها می‌توانستند اندازه‌گیری‌های کمی از برخورد الکترون با یون‌های مولکولی CH+ را جمع‌آوری کنند.
کالوسی گفت: «ما دریافتیم که نرخ گذار چرخشی القا شده توسط الکترون با پیش‌بینی‌های نظری قبلی مطابقت دارد.» اندازه‌گیری‌های ما اولین آزمایش تجربی پیش‌بینی‌های نظری موجود را ارائه می‌کند. ما پیش‌بینی می‌کنیم که محاسبات آینده بیشتر بر تأثیرات احتمالی برخورد الکترون‌ها بر روی جمعیت‌های با سطح انرژی پایین در سیستم‌های کوانتومی سرد و ایزوله متمرکز شود.»
علاوه بر تایید پیش‌بینی‌های نظری در یک محیط آزمایشی برای اولین بار، کار اخیر این گروه از محققان ممکن است پیامدهای تحقیقاتی مهمی داشته باشد. برای مثال، یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که اندازه‌گیری نرخ تغییر ناشی از الکترون در سطوح انرژی کوانتومی می‌تواند هنگام تجزیه و تحلیل سیگنال‌های ضعیف مولکول‌ها در فضا که توسط تلسکوپ‌های رادیویی یا واکنش‌پذیری شیمیایی در پلاسمای نازک و سرد شناسایی می‌شوند، بسیار مهم است.
در آینده، این مقاله می‌تواند راه را برای مطالعات نظری جدیدی هموار کند که تأثیر برخورد الکترون‌ها بر اشغال سطوح انرژی کوانتومی دورانی در مولکول‌های سرد را با دقت بیشتری در نظر بگیرند. امکان انجام آزمایش های دقیق تری در این زمینه وجود دارد.
کالوسی می‌افزاید: «در حلقه ذخیره‌سازی برودتی، ما قصد داریم فناوری لیزر همه‌کاره‌تری را برای بررسی سطوح انرژی چرخشی گونه‌های مولکولی دواتمی و چند اتمی بیشتر معرفی کنیم.» این راه را برای مطالعات برخورد الکترون با استفاده از تعداد زیادی یون مولکولی اضافی هموار می‌کند. . اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی از این نوع، به‌ویژه در نجوم رصدی با استفاده از رصدخانه‌های قدرتمندی مانند آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما بزرگ در شیلی، تکمیل خواهند شد. ”
لطفاً اگر با اشتباهات املایی، نادرستی مواجه شدید یا می خواهید درخواست ویرایش محتوای این صفحه را ارسال کنید، از این فرم استفاده کنید. برای سؤالات عمومی، لطفاً از فرم تماس ما استفاده کنید. برای بازخورد عمومی، لطفاً از بخش نظرات عمومی زیر استفاده کنید (لطفاً دنبال کنید دستورالعمل ها).
بازخورد شما برای ما مهم است. با این حال، به دلیل حجم پیام ها، ما پاسخ های فردی را تضمین نمی کنیم.
از آدرس ایمیل شما فقط برای اطلاع دادن به گیرندگان استفاده می شود که چه کسی ایمیل را ارسال کرده است. نه از آدرس شما و نه آدرس گیرنده برای هدف دیگری استفاده نمی شود. اطلاعاتی که وارد می کنید در ایمیل شما ظاهر می شود و Phys.org در هیچ یک از آنها حفظ نخواهد کرد. فرم.
به‌روزرسانی‌های هفتگی و/یا روزانه را به صندوق ورودی خود دریافت کنید. هر زمان که بخواهید می‌توانید اشتراک خود را لغو کنید و ما هرگز جزئیات شما را با اشخاص ثالث به اشتراک نمی‌گذاریم.
این وب‌سایت از کوکی‌ها برای کمک به ناوبری، تجزیه و تحلیل استفاده شما از خدمات ما، جمع‌آوری داده‌ها برای شخصی‌سازی تبلیغات، و ارائه محتوا از اشخاص ثالث استفاده می‌کند. با استفاده از وب‌سایت ما، شما تصدیق می‌کنید که خط‌مشی رازداری و شرایط استفاده ما را خوانده و درک کرده‌اید.