Quando está livre no espaço frio, a molécula resfria espontaneamente diminuindo sua rotação e perdendo energia rotacional em transições quânticas. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
Pesquisadores do Instituto Max-Planck de Física Nuclear na Alemanha e do Laboratório Astrofísico de Columbia realizaram recentemente um experimento destinado a medir as taxas de transição quântica causadas por colisões entre moléculas e elétrons. Suas descobertas, publicadas na Physical Review Letters, fornecem a primeira evidência experimental deste rácio, que anteriormente era apenas estimado teoricamente.
“Quando elétrons e íons moleculares estão presentes em um gás fracamente ionizado, a população de moléculas de nível quântico mais baixo pode mudar durante as colisões”, disse Ábel Kálosi, um dos pesquisadores que conduziram o estudo, ao Phys.org. processo está em nuvens interestelares, onde as observações mostram que as moléculas estão predominantemente em seus estados quânticos mais baixos.A atração entre elétrons carregados negativamente e íons moleculares carregados positivamente torna o processo de colisão de elétrons particularmente eficiente.”
Durante anos, os físicos vêm tentando determinar teoricamente quão fortemente os elétrons livres interagem com as moléculas durante as colisões e, finalmente, mudam seu estado rotacional. No entanto, até agora, suas previsões teóricas não foram testadas em um ambiente experimental.
“Até agora, nenhuma medida foi feita para determinar a validade da mudança nos níveis de energia rotacional para uma determinada densidade eletrônica e temperatura”, explica Kálosi.
Para obter essa medida, Kálosi e seus colegas colocaram moléculas carregadas isoladas em contato próximo com elétrons a temperaturas em torno de 25 Kelvin. Isso permitiu que eles testassem experimentalmente suposições teóricas e previsões descritas em trabalhos anteriores.
Em seus experimentos, os pesquisadores usaram um anel de armazenamento criogênico no Instituto Max-Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha, projetado para feixes de íons moleculares seletivos para espécies. é amplamente esvaziado de quaisquer outros gases de fundo.
“Em um anel criogênico, os íons armazenados podem ser resfriados radiativamente até a temperatura das paredes do anel, produzindo íons preenchidos nos níveis quânticos mais baixos”, explica Kálosi. o único equipado com um feixe de elétrons especialmente projetado que pode ser direcionado para contato com íons moleculares.Os íons são armazenados por vários minutos neste anel, um laser é usado para interrogar a energia rotacional dos íons moleculares.”
Ao escolher um comprimento de onda óptico específico para seu laser de sonda, a equipe poderia destruir uma pequena fração dos íons armazenados se seus níveis de energia rotacional correspondessem a esse comprimento de onda. Eles então detectaram fragmentos das moléculas interrompidas para obter os chamados sinais espectrais.
A equipe coletou suas medidas na presença e ausência de colisões de elétrons. Isso permitiu detectar mudanças na população horizontal sob as condições de baixa temperatura estabelecidas no experimento.
“Para medir o processo de colisões de mudança de estado rotacional, é necessário garantir que haja apenas o nível de energia rotacional mais baixo no íon molecular”, disse Kálosi. volumes, usando resfriamento criogênico a temperaturas bem abaixo da temperatura ambiente, que geralmente é próxima a 300 Kelvin.Neste volume, as moléculas podem ser isoladas de moléculas onipresentes, radiação térmica infravermelha do nosso ambiente.”
Em seus experimentos, Kálosi e seus colegas conseguiram obter condições experimentais nas quais as colisões de elétrons dominam as transições radiativas. Usando elétrons suficientes, eles puderam coletar medidas quantitativas de colisões de elétrons com íons moleculares CH+.
“Descobrimos que a taxa de transição rotacional induzida por elétrons corresponde a previsões teóricas anteriores”, disse Kálosi. “Nossas medições fornecem o primeiro teste experimental de previsões teóricas existentes.Prevemos que os cálculos futuros se concentrarão mais nos possíveis efeitos das colisões de elétrons nas populações de nível mais baixo de energia em sistemas quânticos frios e isolados.”
Além de confirmar pela primeira vez as previsões teóricas em um ambiente experimental, o trabalho recente desse grupo de pesquisadores pode ter importantes implicações de pesquisa. crucial ao analisar os sinais fracos de moléculas no espaço detectados por radiotelescópios ou reatividade química em plasmas finos e frios.
No futuro, este artigo pode abrir caminho para novos estudos teóricos que considerem mais de perto o efeito das colisões de elétrons na ocupação dos níveis de energia quântica rotacional em moléculas frias. possível realizar experimentos mais detalhados em campo.
“No anel de armazenamento criogênico, planejamos introduzir uma tecnologia de laser mais versátil para sondar os níveis de energia rotacional de espécies moleculares mais diatômicas e poliatômicas”, acrescenta Kálosi. .As medições laboratoriais deste tipo continuarão a ser complementadas, especialmente em astronomia observacional usando observatórios poderosos como o Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array no Chile.”
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Hora da postagem: 28 de junho de 2022