การทำความเย็นแบบหมุนของการชนกันของโมเลกุลไอออน-อิเล็กตรอนที่วัดโดยใช้เทคโนโลยีเลเซอร์

เมื่อว่างในที่เย็น โมเลกุลจะเย็นลงเองโดยทำให้การหมุนช้าลงและสูญเสียพลังงานในการหมุนไปในการเปลี่ยนผ่านของควอนตัม นักฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการทำความเย็นแบบหมุนนี้สามารถเร่ง ช้าลง หรือแม้กระทั่งกลับด้านโดยการชนกันของโมเลกุลกับอนุภาครอบข้าง .googletag.cmd.push(ฟังก์ชัน() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
นักวิจัยจากสถาบัน Max-Planck Institute for Nuclear Physics ในเยอรมนีและ Columbia Astrophysical Laboratory เพิ่งทำการทดลองโดยมุ่งเป้าไปที่การวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงของควอนตัมที่เกิดจากการชนกันระหว่างโมเลกุลและอิเล็กตรอน ผลการวิจัยของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ใน Physical Review Letters เป็นหลักฐานการทดลองครั้งแรก ของอัตราส่วนนี้ ซึ่งแต่ก่อนเป็นเพียงการประมาณในทางทฤษฎีเท่านั้น
Ábel Kálosi หนึ่งในนักวิจัยที่ดำเนินการศึกษา กล่าวว่า เมื่ออิเล็กตรอนและโมเลกุลไอออนมีอยู่ในก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างอ่อน ประชากรโมเลกุลระดับควอนตัมที่ต่ำที่สุดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการชนกัน" Ábel Kálosi หนึ่งในนักวิจัยที่ทำการศึกษากล่าวกับ Phys.org กระบวนการอยู่ในกลุ่มเมฆระหว่างดวงดาว ซึ่งการสังเกตพบว่าโมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในสถานะควอนตัมที่ต่ำที่สุดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและไอออนของโมเลกุลที่มีประจุบวกทำให้กระบวนการชนกันของอิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ”
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่นักฟิสิกส์ได้พยายามหาทฤษฎีว่าอิเล็กตรอนอิสระมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลมากน้อยเพียงใดในระหว่างการชนกัน และท้ายที่สุดก็เปลี่ยนสถานะการหมุนของพวกมัน อย่างไรก็ตาม จนถึงตอนนี้ การคาดคะเนเชิงทฤษฎีของพวกมันยังไม่ได้รับการทดสอบในสภาพแวดล้อมการทดลอง
Kálosi อธิบาย "จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการวัดใดๆ เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานหมุนเวียนสำหรับความหนาแน่นและอุณหภูมิของอิเล็กตรอนที่กำหนด
ในการรวบรวมการวัดนี้ Kálosi และเพื่อนร่วมงานของเขาได้นำโมเลกุลที่มีประจุแยกออกมาสัมผัสใกล้ชิดกับอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิประมาณ 25 เคลวิน วิธีนี้ทำให้พวกเขาทดลองทดสอบสมมติฐานทางทฤษฎีและการทำนายที่ร่างไว้ในงานก่อนหน้านี้
ในการทดลอง นักวิจัยได้ใช้วงแหวนกักเก็บความเย็นที่สถาบัน Max-Planck Institute for Nuclear Physics ในเมืองไฮเดลเบิร์ก ประเทศเยอรมนี ซึ่งออกแบบสำหรับลำไอออนโมเลกุลที่คัดเลือกมาเป็นพิเศษ ในวงแหวนนี้ โมเลกุลจะเคลื่อนที่ในวงโคจรเหมือนสนามแข่งในปริมาตรที่อุณหภูมิต่ำ ส่วนใหญ่จะถูกทำให้ว่างจากก๊าซพื้นหลังอื่นๆ
"ในวงแหวนไครโอเจนิกส์ ไอออนที่เก็บไว้สามารถระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีจนถึงอุณหภูมิของผนังวงแหวน ทำให้ไอออนมีปริมาณควอนตัมต่ำที่สุด" Kálosi อธิบาย "วงแหวนจัดเก็บแบบแช่เย็นเพิ่งถูกสร้างขึ้นในหลายประเทศ แต่โรงงานของเรามี ลำเดียวที่ติดตั้งลำอิเล็กตรอนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งสามารถสัมผัสกับไอออนของโมเลกุลได้โดยตรงไอออนจะถูกเก็บไว้ในวงแหวนนี้เป็นเวลาหลายนาที เลเซอร์ถูกใช้เพื่อสอบปากคำพลังงานการหมุนของโมเลกุลไอออน”
โดยการเลือกความยาวคลื่นแสงเฉพาะสำหรับเลเซอร์โพรบ ทีมงานสามารถทำลายไอออนที่เก็บไว้ได้เพียงเล็กน้อย ถ้าระดับพลังงานการหมุนของพวกมันตรงกับความยาวคลื่นนั้น จากนั้นพวกเขาก็ตรวจพบชิ้นส่วนของโมเลกุลที่กระจัดกระจายเพื่อรับสิ่งที่เรียกว่าสัญญาณสเปกตรัม
ทีมงานได้รวบรวมการวัดของพวกเขาเมื่อมีและไม่มีอิเล็กตรอนชน ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของประชากรในแนวนอนภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำที่กำหนดไว้ในการทดลอง
“ในการวัดกระบวนการของการชนกันที่เปลี่ยนสถานะการหมุน จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีระดับพลังงานการหมุนต่ำสุดในโมเลกุลไอออนเท่านั้น” Kálosi กล่าว” ดังนั้นในการทดลองในห้องปฏิบัติการ โมเลกุลไอออนจะต้องถูกเก็บไว้ในที่เย็นจัด ปริมาตร โดยใช้การทำความเย็นแบบไครโอเจนิกส์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ซึ่งมักจะใกล้เคียงกับ 300 เคลวินในปริมาณนี้ โมเลกุลสามารถแยกได้จากโมเลกุลที่แพร่หลาย การแผ่รังสีความร้อนอินฟราเรดของสิ่งแวดล้อมของเรา”
ในการทดลองของพวกเขา Kálosi และเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถบรรลุสภาวะการทดลองที่การชนกันของอิเล็กตรอนมีอิทธิพลเหนือการเปลี่ยนแปลงการแผ่รังสี โดยใช้อิเล็กตรอนเพียงพอ พวกเขาสามารถรวบรวมการวัดเชิงปริมาณของการชนกันของอิเล็กตรอนกับ CH+ โมเลกุลไอออน
Kálosi กล่าวว่า "เราพบว่าอัตราการเปลี่ยนผ่านของการหมุนที่เหนี่ยวนำด้วยอิเล็กตรอนนั้นตรงกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีก่อนหน้านี้" การวัดของเราเป็นการทดสอบการทดลองครั้งแรกของการทำนายตามทฤษฎีที่มีอยู่เราคาดว่าการคำนวณในอนาคตจะเน้นไปที่ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากการชนกันของอิเล็กตรอนกับประชากรระดับพลังงานต่ำสุดในระบบควอนตัมที่เย็นและแยกได้”
นอกเหนือจากการยืนยันการคาดการณ์ทางทฤษฎีในสภาพแวดล้อมการทดลองเป็นครั้งแรกแล้ว งานล่าสุดของนักวิจัยกลุ่มนี้อาจมีความหมายในการวิจัยที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น การค้นพบของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าการวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานควอนตัมที่เกิดจากอิเล็กตรอนอาจเป็นได้ มีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์สัญญาณอ่อนของโมเลกุลในอวกาศที่ตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุหรือปฏิกิริยาเคมีในพลาสมาแบบบางและเย็น
ในอนาคต บทความนี้สามารถปูทางสำหรับการศึกษาเชิงทฤษฎีใหม่ที่พิจารณาผลกระทบของการชนกันของอิเล็กตรอนอย่างใกล้ชิดมากขึ้นต่อการยึดครองระดับพลังงานควอนตัมในการหมุนรอบโมเลกุลเย็น เป็นไปได้ที่จะทำการทดลองที่มีรายละเอียดมากขึ้นในสนาม
"ในวงแหวนเก็บความเย็น เราวางแผนที่จะแนะนำเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น เพื่อตรวจสอบระดับพลังงานในการหมุนของสายพันธุ์ไดอะตอมมิกและโพลิอะตอมมิกที่มากขึ้น" คาโลซีกล่าวเสริม ซึ่งจะเป็นการปูทางสำหรับการศึกษาการชนกันของอิเล็กตรอนโดยใช้ไอออนโมเลกุลเพิ่มเติมจำนวนมาก .การวัดในห้องปฏิบัติการประเภทนี้จะยังคงได้รับการเสริม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในดาราศาสตร์เชิงสังเกตโดยใช้หอดูดาวที่ทรงพลัง เช่น Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ในชิลี”
โปรดใช้แบบฟอร์มนี้หากคุณพบข้อผิดพลาดในการสะกดคำ ไม่ถูกต้อง หรือต้องการส่งคำขอแก้ไขเนื้อหาของหน้านี้ หากต้องการสอบถามข้อมูลทั่วไป โปรดใช้แบบฟอร์มติดต่อของเรา สำหรับความคิดเห็นทั่วไป โปรดใช้ส่วนความคิดเห็นสาธารณะด้านล่าง (โปรดปฏิบัติตาม) แนวทางปฏิบัติ)
ความคิดเห็นของคุณมีความสำคัญต่อเรา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปริมาณข้อความ เราไม่รับประกันว่าจะได้รับการตอบกลับเป็นรายบุคคล
ที่อยู่อีเมลของคุณใช้เพื่อแจ้งให้ผู้รับทราบว่าใครเป็นผู้ส่งอีเมล จะไม่มีการใช้ที่อยู่ของคุณหรือที่อยู่ของผู้รับเพื่อวัตถุประสงค์อื่นใด ข้อมูลที่คุณป้อนจะปรากฏในอีเมลของคุณและ Phys.org จะไม่เก็บข้อมูลใดๆ รูปร่าง.
รับการอัปเดตรายสัปดาห์และ/หรือรายวันที่ส่งถึงกล่องจดหมายของคุณ คุณสามารถยกเลิกการสมัครได้ทุกเมื่อ และเราจะไม่เปิดเผยรายละเอียดของคุณกับบุคคลที่สาม
เว็บไซต์นี้ใช้คุกกี้เพื่อช่วยในการนำทาง วิเคราะห์การใช้บริการของเรา รวบรวมข้อมูลสำหรับการโฆษณาส่วนบุคคล และให้บริการเนื้อหาจากบุคคลที่สาม ในการใช้เว็บไซต์ของเรา คุณรับทราบว่าคุณได้อ่านและเข้าใจนโยบายความเป็นส่วนตัวและข้อกำหนดการใช้งานของเราแล้ว