การระบายความร้อนแบบหมุนของการชนกันของโมเลกุลไอออน-อิเล็กตรอนที่วัดโดยใช้เทคโนโลยีเลเซอร์

เมื่อเป็นอิสระในพื้นที่เย็น โมเลกุลจะเย็นลงเองโดยการหมุนช้าลงและสูญเสียพลังงานการหมุนในการเปลี่ยนผ่านควอนตัม นักฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการทำความเย็นแบบหมุนนี้สามารถเร่ง ชะลอความเร็ว หรือแม้แต่กลับด้านได้เนื่องจากการชนกันของโมเลกุลกับอนุภาคที่อยู่รอบๆ .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
นักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์มักซ์-พลังค์ในเยอรมนีและห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์ฟิสิกส์โคลัมเบีย ได้ทำการทดลองที่มีวัตถุประสงค์เพื่อวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงควอนตัมที่เกิดจากการชนกันระหว่างโมเลกุลและอิเล็กตรอน การค้นพบของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ใน Physical Review Letters ถือเป็นหลักฐานการทดลองชิ้นแรก ของอัตราส่วนนี้ซึ่งก่อนหน้านี้มีการประเมินตามทฤษฎีเท่านั้น
“เมื่ออิเล็กตรอนและไอออนของโมเลกุลอยู่ในก๊าซไอออไนซ์อ่อน ประชากรโมเลกุลระดับควอนตัมต่ำสุดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการชน” Ábel Kálosi หนึ่งในนักวิจัยที่ดำเนินการศึกษานี้ กล่าวกับ Phys.org “ตัวอย่างสิ่งนี้ กระบวนการอยู่ในเมฆระหว่างดวงดาว ซึ่งการสังเกตแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในสถานะควอนตัมต่ำสุด แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกับไอออนโมเลกุลที่มีประจุบวกทำให้กระบวนการชนกันของอิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ”
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่นักฟิสิกส์พยายามหาคำตอบตามทฤษฎีว่าอิเล็กตรอนอิสระมีปฏิกิริยากับโมเลกุลอย่างรุนแรงเพียงใดในระหว่างการชน และท้ายที่สุดก็เปลี่ยนสถานะการหมุน อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ การทำนายทางทฤษฎีของพวกเขายังไม่ได้รับการทดสอบในการทดลอง
“จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการวัดเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานการหมุนสำหรับความหนาแน่นและอุณหภูมิของอิเล็กตรอนที่กำหนด” Kálosi อธิบาย
เพื่อรวบรวมการวัดนี้ Kálosi และเพื่อนร่วมงานของเขาได้นำโมเลกุลที่มีประจุแยกออกมาให้สัมผัสใกล้ชิดกับอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิประมาณ 25 เคลวิน ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถทดลองทดสอบสมมติฐานทางทฤษฎีและการทำนายที่ระบุไว้ในงานก่อนหน้านี้ได้
ในการทดลอง นักวิจัยได้ใช้วงแหวนกักเก็บความเย็นที่สถาบัน Max-Planck สำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ในเมืองไฮเดลเบิร์ก ประเทศเยอรมนี ซึ่งออกแบบมาสำหรับคานไอออนโมเลกุลแบบคัดเลือกสปีชีส์ ในวงแหวนนี้ โมเลกุลเคลื่อนที่ในวงโคจรคล้ายสนามแข่งในปริมาตรไครโอเจนิกที่ ส่วนใหญ่จะถูกระบายออกจากก๊าซพื้นหลังอื่นๆ
“ในวงแหวนไครโอเจนิก ไอออนที่เก็บไว้สามารถถูกทำให้เย็นลงด้วยการแผ่รังสีจนถึงอุณหภูมิของผนังวงแหวน ซึ่งจะทำให้ไอออนเต็มไปด้วยระดับควอนตัมขั้นต่ำไม่กี่ระดับ” Kálosi อธิบาย” วงแหวนกักเก็บไครโอเจนิกเพิ่งถูกสร้างขึ้นในหลายประเทศ แต่โรงงานของเรา หนึ่งเดียวที่ติดตั้งลำแสงอิเล็กตรอนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งสามารถสัมผัสกับไอออนของโมเลกุลได้โดยตรง ไอออนจะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายนาทีในวงแหวนนี้ เลเซอร์ถูกใช้เพื่อสอบถามพลังงานการหมุนของไอออนโมเลกุล”
ด้วยการเลือกความยาวคลื่นแสงเฉพาะสำหรับเลเซอร์โพรบ ทีมงานสามารถทำลายไอออนที่เก็บไว้เพียงเล็กน้อยได้หากระดับพลังงานการหมุนของพวกมันตรงกับความยาวคลื่นนั้น จากนั้นพวกเขาก็ตรวจพบชิ้นส่วนของโมเลกุลที่กระจัดกระจายเพื่อรับสัญญาณที่เรียกว่าสัญญาณสเปกตรัม
ทีมงานได้รวบรวมการวัดทั้งที่มีและไม่มีการชนกันของอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของประชากรแนวนอนภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำที่กำหนดไว้ในการทดลอง
“ในการวัดกระบวนการของการชนที่เปลี่ยนสถานะการหมุน จำเป็นต้องให้แน่ใจว่าไอออนโมเลกุลจะมีระดับพลังงานการหมุนต่ำที่สุดเท่านั้น” ดังนั้นในการทดลองในห้องปฏิบัติการ ไอออนของโมเลกุลจึงต้องถูกเก็บไว้ในที่เย็นจัด ปริมาตร โดยใช้การทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็งจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ซึ่งมักจะใกล้กับ 300 เคลวิน ในปริมาตรนี้ โมเลกุลสามารถแยกได้จากโมเลกุลที่มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง การแผ่รังสีความร้อนอินฟราเรดของสภาพแวดล้อมของเรา”
ในการทดลอง Kálosi และเพื่อนร่วมงานสามารถบรรลุสภาวะการทดลองซึ่งการชนกันของอิเล็กตรอนมีอิทธิพลเหนือการเปลี่ยนผ่านของการแผ่รังสี เมื่อใช้อิเล็กตรอนเพียงพอ พวกเขาสามารถรวบรวมการวัดเชิงปริมาณของการชนกันของอิเล็กตรอนด้วยไอออนโมเลกุล CH+
"เราพบว่าอัตราการเปลี่ยนผ่านของการหมุนที่เกิดจากอิเล็กตรอนตรงกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีก่อนหน้านี้" Kálosi กล่าว "การวัดของเราถือเป็นการทดสอบการทดลองครั้งแรกของการทำนายทางทฤษฎีที่มีอยู่ เราคาดว่าการคำนวณในอนาคตจะเน้นไปที่ผลกระทบที่เป็นไปได้ของการชนกันของอิเล็กตรอนต่อประชากรระดับพลังงานต่ำสุดในระบบควอนตัมที่เย็นและโดดเดี่ยว”
นอกเหนือจากการยืนยันการคาดการณ์ทางทฤษฎีในการทดลองเป็นครั้งแรกแล้ว งานล่าสุดของนักวิจัยกลุ่มนี้อาจมีผลกระทบต่อการวิจัยที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น การค้นพบของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าการวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานควอนตัมที่เกิดจากอิเล็กตรอนอาจเป็น มีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์สัญญาณอ่อนของโมเลกุลในอวกาศที่ตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุหรือปฏิกิริยาทางเคมีในพลาสมาบางและเย็น
ในอนาคต บทความนี้สามารถปูทางไปสู่การศึกษาทางทฤษฎีใหม่ๆ ที่พิจารณาอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้นถึงผลกระทบของการชนกันของอิเล็กตรอนต่อการยึดครองระดับพลังงานควอนตัมการหมุนในโมเลกุลเย็น ซึ่งสามารถช่วยระบุได้ว่าการชนกันของอิเล็กตรอนมีผลกระทบที่รุนแรงที่สุดที่ใด เป็นไปได้ที่จะทำการทดลองที่มีรายละเอียดมากขึ้นในสนาม
"ในวงแหวนจัดเก็บอุณหภูมิเย็นเราวางแผนที่จะแนะนำเทคโนโลยีเลเซอร์ที่หลากหลายมากขึ้นเพื่อตรวจสอบระดับพลังงานการหมุนของโมเลกุลไดอะตอมมิกและโพลีอะตอมมิกมากขึ้น" Kálosi กล่าวเสริม "นี่จะเป็นการปูทางสำหรับการศึกษาการชนกันของอิเล็กตรอนโดยใช้ไอออนโมเลกุลเพิ่มเติมจำนวนมาก . การตรวจวัดประเภทนี้ในห้องปฏิบัติการจะยังคงได้รับการเสริมต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในดาราศาสตร์เชิงสังเกตโดยใช้หอสังเกตการณ์ที่ทรงพลัง เช่น Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ในชิลี -
โปรดใช้แบบฟอร์มนี้หากคุณพบข้อผิดพลาดในการสะกดคำ ความไม่ถูกต้อง หรือต้องการส่งคำขอแก้ไขเนื้อหาของหน้านี้ สำหรับการสอบถามทั่วไป โปรดใช้แบบฟอร์มการติดต่อของเรา สำหรับข้อเสนอแนะทั่วไป โปรดใช้ส่วนความคิดเห็นสาธารณะด้านล่าง (โปรดติดตาม แนวทาง)
ความคิดเห็นของคุณเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเรา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปริมาณข้อความจำนวนมาก เราไม่รับประกันการตอบกลับเป็นรายบุคคล
ที่อยู่อีเมลของคุณใช้เพื่อให้ผู้รับทราบว่าใครเป็นผู้ส่งอีเมลเท่านั้น ที่อยู่ของคุณหรือที่อยู่ของผู้รับจะไม่ถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นใด ข้อมูลที่คุณป้อนจะปรากฏในอีเมลของคุณและจะไม่ถูกเก็บรักษาโดย Phys.org ในทุกกรณี รูปร่าง.
รับการอัปเดตรายสัปดาห์และ/หรือรายวันที่ส่งไปยังกล่องจดหมายของคุณ คุณสามารถยกเลิกการสมัครได้ตลอดเวลา และเราจะไม่แชร์รายละเอียดของคุณกับบุคคลที่สาม
เว็บไซต์นี้ใช้คุกกี้เพื่อช่วยในการนำทาง วิเคราะห์การใช้บริการของเรา รวบรวมข้อมูลสำหรับการโฆษณาส่วนบุคคล และให้บริการเนื้อหาจากบุคคลที่สาม การใช้เว็บไซต์ของเรา แสดงว่าคุณรับทราบว่าคุณได้อ่านและเข้าใจนโยบายความเป็นส่วนตัวและข้อกำหนดการใช้งานของเราแล้ว