レーザー技術を用いて測定された分子イオン-電子衝突の回転冷却

低温空間で自由な場合、分子は回転を遅くし、量子遷移で回転エネルギーを失うことによって自然に冷却します。物理学者は、この回転冷却プロセスが、分子と周囲の粒子との衝突によって加速、減速、または反転することさえあることを示しました。 .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
ドイツのマックスプランク核物理研究所とコロンビア天体物理学研究所の研究者は、最近、分子と電子の間の衝突によって引き起こされる量子遷移率を測定することを目的とした実験を実施しました。この比率は、以前は理論的にしか推定されていませんでした。
「電子と分子イオンが弱電離ガスに存在する場合、分子の最低量子レベル集団が衝突中に変化する可能性があります」と、この研究を実施した研究者の 1 人であるアベル・カロシは Phys.org に語っています。プロセスは星間雲の中にあり、分子が主に最低の量子状態にあることが観測によって示されています。負に帯電した電子と正に帯電した分子イオンの間の引力により、電子衝突プロセスが特に効率的になります。」
何年もの間、物理学者は、衝突中に自由電子が分子とどのように強く相互作用し、最終的に回転状態を変化させるかを理論的に決定しようとしてきました.しかし、これまでのところ、彼らの理論的予測は実験設定でテストされていません.
「これまで、特定の電子密度と温度に対する回転エネルギー レベルの変化の妥当性を判断するための測定は行われていませんでした」と Kálosi 氏は説明します。
この測定値を収集するために、Kálosi と彼の同僚は、孤立した荷電分子を約 25 ケルビンの温度で電子と密接に接触させました。これにより、以前の研究で概説された理論的仮定と予測を実験的にテストすることができました。
彼らの実験では、研究者は、ドイツのハイデルベルクにあるマックスプランク核物理学研究所で、種選択分子イオン ビーム用に設計された極低温貯蔵リングを使用しました。他のバックグラウンドガスがほとんど含まれていません。
「極低温リングでは、保存されたイオンをリング壁の温度まで放射冷却することができ、最低数量子準位で満たされたイオンが生成されます」と Kálosi 氏は説明します。分子イオンと接触させることができる特別に設計された電子ビームを備えた唯一のものです。イオンはこのリングに数分間保存され、分子イオンの回転エネルギーを調べるためにレーザーが使用されます。」
プローブ レーザーに特定の光波長を選択することで、チームは、回転エネルギー レベルがその波長と一致する場合、保存されたイオンのごく一部を破壊することができました。次に、破壊された分子のフラグメントを検出して、いわゆるスペクトル信号を取得しました。
チームは、電子衝突の有無で測定値を収集しました。これにより、実験で設定された低温条件下での水平集団の変化を検出することができました。
「回転状態が変化する衝突のプロセスを測定するには、分子イオンの回転エネルギー レベルが最低であることを確認する必要があります」と Kálosi 氏は述べています。多くの場合、300 ケルビンに近い室温をはるかに下回る温度まで極低温冷却を使用します。このボリュームでは、分子はユビキタス分子、私たちの環境の赤外線熱放射から分離できます。」
実験では、Kálosi と彼の同僚は、電子衝突が放射遷移を支配する実験条件を達成することができました。十分な量の電子を使用することで、CH+ 分子イオンとの電子衝突の定量的測定値を収集することができました。
「電子誘起回転遷移率が以前の理論的予測と一致することがわかりました」と Kálosi 氏は述べています。将来の計算では、冷たい孤立した量子系の最低エネルギー準位集団に対する電子衝突の影響の可能性にもっと焦点が当てられると予想しています。」
初めて実験設定で理論的予測を確認することに加えて、この研究者グループの最近の研究は、重要な研究的意味を持つ可能性があります。電波望遠鏡によって検出された宇宙の分子の弱い信号や、薄くて冷たいプラズマの化学反応性を分析するときに重要です。
将来、この論文は、冷たい分子の回転量子エネルギー準位の占有に対する電子衝突の影響をより綿密に検討する新しい理論的研究への道を開く可能性があります。現場でより詳細な実験を行うことができます。
「極低温貯蔵リングでは、より用途の広いレーザー技術を導入して、より多くの二原子および多原子分子種の回転エネルギーレベルを調べる予定です」と Kálosi 氏は付け加えます。 .このタイプの実験室での測定は、特にチリの Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array などの強力な天文台を使用した観測天文学において、引き続き補完されます。」
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