冷たい空間で分子が自由な場合、分子はその回転が遅くなり、量子遷移で回転エネルギーが失われることで自発的に冷却されます。物理学者は、この回転冷却プロセスが、分子と周囲の粒子の衝突によって加速、減速、さらには逆転する可能性が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研究所の研究者らは最近、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速度を測定することを目的とした実験を実施した。フィジカル・レビュー・レターズに掲載された彼らの発見は、最初の実験的証拠を提供するものである。この比率は、これまで理論的にのみ推定されていました。
「弱電離ガス中に電子と分子イオンが存在すると、衝突中に分子の最低量子レベルの集団が変化する可能性があります」と、この研究を行った研究者の一人、アベル・カロシ氏はPhys.orgに語った。このプロセスは星間雲の中で行われ、観測では分子が主に最低量子状態にあることが示されています。マイナスに帯電した電子とプラスに帯電した分子イオン間の引力により、電子の衝突プロセスが特に効率的になります。」
物理学者は長年にわたり、自由電子が衝突中に分子とどの程度強く相互作用し、最終的に回転状態を変化させるかを理論的に判定しようと試みてきたが、これまでのところ、その理論的予測は実験環境で検証されていない。
「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。
研究者らは実験で、ドイツのハイデルベルクにあるマックスプランク原子核物理研究所にある種選択性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た。このリングでは、分子は極低温の体積内でレーストラックのような軌道を運動する。他のバックグラウンドガスがほとんど除去されています。
「極低温リングでは、貯蔵されたイオンがリング壁の温度まで放射冷却され、最低数量子レベルで満たされたイオンが得られます」とカロシ氏は説明します。」極低温貯蔵リングは最近いくつかの国で建設されていますが、私たちの施設は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内に数分間保存され、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、研究チームは、回転エネルギーレベルがその波長と一致する場合、蓄積されたイオンのごく一部を破壊することができた。その後、破壊された分子の断片を検出して、いわゆるスペクトル信号を取得した。
研究チームは、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分布の変化を検出できるようになりました。
「回転状態が変化する衝突のプロセスを測定するには、分子イオンに最低の回転エネルギーレベルのみが存在することを確認する必要があります。」とカロシ氏は言いました。「したがって、室内実験では、分子イオンは極度に低温に保たれなければなりません」室温よりはるかに低い温度（多くの場合 300 ケルビン近く）までの極低温冷却を使用します。このボリュームでは、遍在する分子や環境の赤外線熱放射から分子を分離できます。」
Kálosi らは実験で、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な測定値を収集することができました。
「電子誘起回転遷移速度が以前の理論的予測と一致することがわかりました」とカーロシ氏は述べています。「私たちの測定は、既存の理論的予測の最初の実験的テストを提供します。」私たちは、将来の計算では、低温で孤立した量子系における最低エネルギー準位の集団に対する電子衝突の考えられる影響にさらに焦点を当てることになると予想しています。」
理論的予測を初めて実験環境で確認したことに加え、この研究者グループの最近の研究は研究に重要な意味を持つ可能性がある。例えば、彼らの発見は、量子エネルギー準位の電子誘起変化率の測定が可能であることを示唆している。これは、電波望遠鏡で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を分析するときに非常に重要です。
将来的には、この論文は、低温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厳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。これは、電子衝突が最も強い影響を与える場所を解明するのに役立つ可能性があります。現場でより詳細な実験を行うことが可能です。
「極低温貯蔵リングでは、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査するために、より汎用性の高いレーザー技術を導入する予定です。」とカーロシ氏は付け加えました。これにより、多数の追加の分子イオンを使用した電子衝突研究への道が開かれることになります。 。このタイプの実験室測定は、特にチリのアタカマ大型ミリ波/サブミリ波アレイなどの強力な天文台を使用した観測天文学において、引き続き補完されるでしょう。 」
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投稿日時: 2022 年 6 月 28 日