Lorsqu'elle est libre dans l'espace froid, la molécule se refroidit spontanément en ralentissant sa rotation et en perdant de l'énergie de rotation dans les 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(fonction() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Des chercheurs de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire en Allemagne et du Columbia Astrophysical Laboratory ont récemment mené une expérience visant à mesurer les taux de transition quantique provoqués par des collisions entre molécules et électrons. Leurs découvertes, publiées dans Physical Review Letters, fournissent la première preuve expérimentale de ce ratio, qui n'était auparavant qu'estimé 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 pendant les collisions", a déclaré Ábel Kálosi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. 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.
Pendant des années, les physiciens ont essayé de déterminer théoriquement à quel point les électrons libres interagissent avec les molécules lors des 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 et une température d'électrons données", explique Kálosi.
Pour recueillir cette mesure, Kálosi et ses collègues ont mis des molécules chargées isolées en contact étroit avec des électrons à des températures d'environ 25 Kelvin. Cela leur a permis de tester expérimentalement les hypothèses théoriques et les prédictions décrites dans les travaux précédents.
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 les faisceaux d'ions moléculaires sélectifs d'espèces. Dans cet anneau, les molécules se déplacent sur des orbites de type hippodrome 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 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 pouvant être dirigé au contact d'ions moléculaires.Les ions sont stockés pendant 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 son laser sonde, 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 des molécules perturbées pour obtenir des signaux dits spectraux.
L'équipe a collecté leurs mesures en présence et en l'absence de collisions d'électrons. 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 de laboratoire, les ions moléculaires doivent être conservés dans des conditions extrêmement froides 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, des molécules peuvent être isolées à partir de molécules omniprésentes, le rayonnement thermique infrarouge de notre environnement.
Dans leurs expériences, Kálosi et ses collègues ont pu obtenir des conditions expérimentales dans lesquelles les collisions d'électrons dominent les transitions radiatives. En utilisant suffisamment d'électrons, ils ont pu collecter des mesures quantitatives des collisions d'électrons avec les ions moléculaires CH+.
"Nous avons constaté que la vitesse de transition rotationnelle induite par les électrons correspond aux prédictions théoriques précédentes", a déclaré Kálosi. "Nos mesures fournissent le premier test expérimental des prédictions théoriques existantes.Nous prévoyons que les calculs futurs se concentreront davantage sur les effets possibles des collisions d'électrons sur les populations au niveau d'énergie le plus bas dans les systèmes quantiques froids et isolés.
En plus de confirmer pour la première fois les prédictions théoriques dans un cadre expérimental, les travaux récents de ce groupe de chercheurs peuvent avoir des implications importantes pour la recherche. Par exemple, leurs découvertes 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 détectées 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 d'électrons sur l'occupation des niveaux d'énergie quantique de rotation dans les molécules froides. Cela pourrait aider à déterminer où les collisions d'électrons ont l'effet le plus fort, ce qui rend 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'espèces moléculaires plus diatomiques et polyatomiques", ajoute Kálosi. "Cela ouvrira la voie à des études de collision d'électrons utilisant un grand nombre d'ions moléculaires supplémentaires. .Les mesures en laboratoire de ce type continueront d'être complétées, notamment en astronomie d'observation à l'aide de puissants observatoires comme l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array au Chili.”
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Heure de publication : 28 juin 2022