Lorsqu'elle est libre dans un espace froid, la molécule se refroidit spontanément en ralentissant sa rotation et en perdant de l'énergie de rotation lors des transitions quantiques. Les physiciens ont montré que ce processus de refroidissement rotationnel peut être accéléré, ralenti ou même inversé par des collisions de molécules avec des particules environnantes. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Des chercheurs de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire en Allemagne et du Laboratoire d'astrophysique de Columbia ont récemment mené une expérience visant à mesurer les taux de transition quantique provoqués par des collisions entre molécules et électrons. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, fournissent la première preuve expérimentale. de ce ratio, qui n’était auparavant estimé que théoriquement.
"Lorsque des électrons et des ions moléculaires sont présents dans un gaz faiblement ionisé, la population de molécules au niveau quantique le plus bas peut changer lors de collisions", a déclaré à Phys.org Ábel Kálosi, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude. Le processus se déroule dans les nuages interstellaires, où les observations montrent que les molécules sont principalement dans leurs états quantiques les plus bas. L’attraction entre les électrons chargés négativement et les ions moléculaires chargés positivement rend le processus de collision électronique particulièrement efficace.
Depuis des années, les physiciens tentent de déterminer théoriquement la force avec laquelle les électrons libres interagissent avec les molécules lors de collisions et modifient finalement leur état de rotation. Cependant, jusqu'à présent, leurs prédictions théoriques n'ont pas été testées dans un cadre expérimental.
"Jusqu'à présent, aucune mesure n'a été effectuée pour déterminer la validité du changement des niveaux d'énergie de rotation pour une densité électronique et une température données", explique Kálosi.
Pour recueillir ces mesures, Kálosi et ses collègues ont mis des molécules chargées isolées en contact étroit avec des électrons à des températures autour de 25 Kelvin. Cela leur a permis de tester expérimentalement les hypothèses théoriques et les prédictions décrites dans des travaux antérieurs.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un anneau de stockage cryogénique à l'Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg, en Allemagne, conçu pour des faisceaux d'ions moléculaires sélectifs d'espèces. Dans cet anneau, les molécules se déplacent sur des orbites semblables à des pistes de course dans un volume cryogénique qui est en grande partie vidé de tout autre gaz de fond.
"Dans un anneau cryogénique, les ions stockés peuvent être refroidis par rayonnement jusqu'à la température des parois de l'anneau, produisant des ions remplis aux niveaux quantiques les plus bas", explique Kálosi. "Des anneaux de stockage cryogéniques ont récemment été construits dans plusieurs pays, mais notre installation est le seul équipé d'un faisceau d'électrons spécialement conçu qui peut être dirigé vers le contact avec des ions moléculaires. Les ions sont stockés plusieurs minutes dans cet anneau, un laser est utilisé pour interroger l'énergie de rotation des ions moléculaires.
En choisissant une longueur d'onde optique spécifique pour sa sonde laser, l'équipe a pu détruire une petite fraction des ions stockés si leurs niveaux d'énergie de rotation correspondaient à cette longueur d'onde. Ils ont ensuite détecté des fragments de molécules perturbées pour obtenir des signaux dits spectraux.
L'équipe a collecté ses mesures en présence et en l'absence de collisions électroniques. Cela leur a permis de détecter des changements dans la population horizontale dans les conditions de basse température définies dans l'expérience.
"Pour mesurer le processus de collisions à changement d'état de rotation, il est nécessaire de s'assurer qu'il n'y a que le niveau d'énergie de rotation le plus bas dans l'ion moléculaire", a déclaré Kálosi. "Par conséquent, dans les expériences en laboratoire, les ions moléculaires doivent être conservés dans un endroit extrêmement froid. volumes, en utilisant le refroidissement cryogénique à des températures bien inférieures à la température ambiante, qui est souvent proche de 300 Kelvin. Dans ce volume, les molécules peuvent être isolées des molécules omniprésentes, du rayonnement thermique infrarouge de notre environnement.
Dans leurs expériences, Kálosi et ses collègues ont pu créer des conditions expérimentales dans lesquelles les collisions électroniques dominent les transitions radiatives. En utilisant suffisamment d'électrons, ils ont pu collecter des mesures quantitatives des collisions électroniques avec les ions moléculaires CH+.
"Nous avons constaté que le taux de transition rotationnelle induit par les électrons correspond aux prédictions théoriques précédentes", a déclaré Kálosi. "Nos mesures constituent le premier test expérimental des prédictions théoriques existantes. Nous prévoyons que les futurs calculs se concentreront davantage sur les effets possibles des collisions électroniques sur les populations aux niveaux d’énergie les plus bas dans les systèmes quantiques froids et isolés.
En plus de confirmer pour la première fois des prédictions théoriques dans un cadre expérimental, les travaux récents de ce groupe de chercheurs pourraient avoir d'importantes implications en matière de recherche. Par exemple, leurs résultats suggèrent que la mesure du taux de changement induit par les électrons dans les niveaux d'énergie quantique pourrait être crucial lors de l’analyse des signaux faibles des molécules dans l’espace détectés par les radiotélescopes ou de la réactivité chimique dans les plasmas minces et froids.
À l'avenir, cet article pourrait ouvrir la voie à de nouvelles études théoriques qui examineraient de plus près l'effet des collisions électroniques sur l'occupation des niveaux d'énergie quantique de rotation dans les molécules froides. Cela pourrait aider à déterminer où les collisions électroniques ont l'effet le plus fort, rendant il est possible de mener des expériences plus détaillées sur le terrain.
"Dans l'anneau de stockage cryogénique, nous prévoyons d'introduire une technologie laser plus polyvalente pour sonder les niveaux d'énergie de rotation d'un plus grand nombre d'espèces moléculaires diatomiques et polyatomiques", ajoute Kálosi. "Cela ouvrira la voie à des études de collision électronique utilisant un grand nombre d'ions moléculaires supplémentaires. . Les mesures en laboratoire de ce type continueront à être complétées, notamment en astronomie observationnelle grâce à des observatoires puissants tels que le Large Millimeter/Submillimeter Array d'Atacama au Chili. »
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Heure de publication : 28 juin 2022