Esquema simplificado del experimento que muestra las partes relevantes del anillo de almacenamiento criogénico (CSR). Las trayectorias roja y azul resaltan los haces de iones y electrones, respectivamente. Los iones almacenados pueden interactuar con el haz de electrones combinado o un haz de láser pulsado (línea púrpura discontinua). Los productos de interacción láser son neutrales y continúan balísticamente (flecha verde) hasta que se recolectan en un detector de conteo de partículas. Crédito:Kalosi et al.
Cuando está libre en el espacio frío, una molécula se enfriará espontáneamente al ralentizar su rotación y perder energía de rotación en las transiciones cuánticas. Los físicos han demostrado que este proceso de enfriamiento rotacional puede acelerarse, ralentizarse e incluso invertirse por las colisiones de la molécula con las partículas circundantes.
Investigadores del Instituto Max-Planck de Física Nuclear de Alemania y del Laboratorio de Astrofísica de Columbia han llevado a cabo recientemente un experimento destinado a medir la tasa de transiciones cuánticas causadas por colisiones entre moléculas y electrones. Sus hallazgos, publicados en Physical Review Letters , ofrecen la primera evidencia experimental de esta tasa, que anteriormente solo había sido estimada teóricamente.
"Cuando los electrones y los iones moleculares están presentes en gases ionizados tenues, las poblaciones de moléculas de nivel cuántico más bajo pueden cambiar en un proceso de colisión", dijo a Phys.org Ábel Kálosi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Un ejemplo de este proceso es en las nubes interestelares, donde las observaciones revelan moléculas predominantemente en sus estados cuánticos más bajos. La fuerza de atracción entre los electrones cargados negativamente y los iones moleculares cargados positivamente hace que el proceso de colisión electrónica sea particularmente eficiente".
Los físicos han intentado durante muchos años determinar teóricamente la fuerza con la que un electrón libre interactúa con una molécula durante las colisiones y, en última instancia, cambiar el estado de rotación de la molécula. Sin embargo, hasta ahora, sus predicciones teóricas no se habían probado en un entorno experimental.
"Hasta ahora, ninguna medición podía determinar la efectividad de los cambios de nivel de rotación para una temperatura y densidad de electrones determinadas", explicó Kálosi.
Para recolectar esta medida, Kálosi y sus colegas pusieron moléculas cargadas aisladas en estrecho contacto con electrones, a una temperatura de aproximadamente 25 Kelvin. Esto les permitió probar experimentalmente las hipótesis teóricas y las predicciones descritas en trabajos anteriores.
En su experimento, los investigadores utilizaron un anillo de almacenamiento criogénico en el Instituto Max-Planck de Física Nuclear en Heidelberg, Alemania, diseñado para haces de iones moleculares seleccionados por especies. En este anillo, las moléculas se mueven en una órbita similar a una pista de carreras en un volumen criogénico, que se vacía en gran medida de cualquier otro gas de fondo.
"En un anillo criogénico, los iones almacenados pueden enfriarse por radiación hacia la temperatura de las paredes del anillo, generando iones que se pueblan en sus niveles cuánticos más bajos", explicó Kálosi. "Hay un puñado de anillos de almacenamiento criogénico construidos recientemente en algunos países, pero nuestra instalación es la única equipada con un haz de electrones especialmente diseñado que se puede dirigir para entrar en contacto con los iones moleculares. Los iones se almacenan durante muchos minutos. en este anillo, y se usa un láser para interrogar la energía de rotación de los iones moleculares".
Impresión artística de una colisión de cambio de estado rotacional entre un objetivo molecular (CH+) y un electrón. Los estados cuánticos rotacionales de la molécula marcada por J están cuantificados y separados por pasos de energía bien determinados. Solo cuando la energía de colisión de las partículas supera este umbral, el número cuántico J puede aumentar en una colisión. De lo contrario, observamos una reducción neta en J que es el efecto de enfriamiento rotacional de las colisiones, como en nuestro experimento. Crédito:Kalosi et al.
Al seleccionar una longitud de onda óptica específica para su láser de sondeo, el equipo podría destruir una fracción muy pequeña de los iones almacenados, si su nivel de energía de rotación coincidiera con esta longitud de onda. Luego detectaron los fragmentos de las moléculas destruidas para lograr la llamada señal de espectroscopia.
El equipo recopiló sus medidas tanto en presencia como en ausencia de colisiones de electrones. Esto les permitió detectar cambios en la población de nivel bajo las condiciones criogénicas establecidas en su experimento.
"Para medir el proceso de colisiones de cambio de estado rotacional, uno debe asegurarse de que solo los niveles de energía rotacional más bajos estén poblados en los iones moleculares", dijo Kálosi. "Por lo tanto, en un experimento de laboratorio, los iones moleculares deben mantenerse en un volumen extremadamente frío, usando enfriamiento criogénico a una temperatura considerablemente más baja que la temperatura ambiente habitual cercana a los 300 Kelvin. En este volumen, las moléculas pueden aislarse del omnipresente , radiación de calor infrarrojo de nuestro entorno".
En su experimento, Kálosi y sus colegas pudieron darse cuenta de las condiciones experimentales en las que las colisiones de electrones dominaban las transiciones radiativas. Al usar suficientes electrones, podrían recopilar una medida cuantitativa de las colisiones electrónicas con CH + iones moleculares.
"Encontramos tasas de transiciones rotacionales inducidas por electrones compatibles con predicciones teóricas anteriores", dijo Kálosi. "Nuestras mediciones proporcionaron la primera prueba experimental de las predicciones teóricas existentes. Esperamos que los cálculos futuros se centren más en la posible influencia de las colisiones electrónicas en las poblaciones de niveles de energía más bajos en sistemas cuánticos aislados y fríos".
Además de confirmar las predicciones teóricas en un entorno experimental por primera vez, el trabajo reciente de este equipo de investigadores podría tener importantes implicaciones en la investigación. Por ejemplo, sus hallazgos sugieren que la medición de las tasas de cambios de nivel cuántico inducidas por electrones podría ser crucial al analizar señales débiles de moléculas en el espacio detectadas por radiotelescopios o la reactividad química en plasmas diluidos y fríos.
En el futuro, este trabajo podría allanar el camino para nuevos estudios teóricos que consideren más de cerca la influencia de las colisiones electrónicas en la ocupación de niveles cuánticos rotacionales en moléculas frías. Esto podría ayudar a identificar casos en los que las colisiones electrónicas tienen los efectos más fuertes, lo que podría conducir a experimentos más detallados en esta área.
"En el anillo de almacenamiento criogénico, planeamos introducir técnicas láser más versátiles para sondear los niveles de energía de rotación de más especies moleculares diatómicas y poliatómicas", agregó Kálosi. "Esto allanará el camino para los estudios de colisión electrónica con una amplia gama de iones moleculares adicionales. Este tipo de mediciones de laboratorio continuarán complementando, especialmente la observación astronómica, utilizando los poderosos observatorios como el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array en Chile".
© 2022 Red Ciencia X Las colisiones con electrones enfrían los iones moleculares
