التبريد الدوراني لاصطدامات الإلكترون الأيونية الجزيئية المقاسة باستخدام تقنية الليزر

عندما يكون حرًا في الفضاء البارد، يبرد الجزيء تلقائيًا عن طريق إبطاء دورانه وفقدان الطاقة الدورانية في التحولات الكمومية. وقد أظهر الفيزيائيون أن عملية التبريد الدوراني هذه يمكن تسريعها أو إبطائها أو حتى عكسها عن طريق اصطدام الجزيئات بالجزيئات المحيطة بها. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
أجرى باحثون في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في ألمانيا ومختبر كولومبيا للفيزياء الفلكية مؤخرا تجربة تهدف إلى قياس معدلات التحول الكمي الناجمة عن الاصطدامات بين الجزيئات والإلكترونات. وتوفر النتائج التي توصلوا إليها، والتي نشرت في مجلة Physical Review Letters، أول دليل تجريبي من هذه النسبة، والتي لم يتم تقديرها سابقًا إلا من الناحية النظرية.
قال أبيل كالوسي، أحد الباحثين الذين أجروا الدراسة، لموقع Phys.org: "عندما تتواجد الإلكترونات والأيونات الجزيئية في غاز ضعيف التأين، يمكن أن يتغير المستوى الكمي الأدنى من الجزيئات أثناء الاصطدامات". تتم هذه العملية في السحب بين النجوم، حيث تظهر الملاحظات أن الجزيئات تكون في الغالب في أدنى حالاتها الكمومية. إن التجاذب بين الإلكترونات سالبة الشحنة والأيونات الجزيئية موجبة الشحنة يجعل عملية تصادم الإلكترونات فعالة بشكل خاص.
لسنوات، حاول الفيزيائيون تحديد مدى قوة تفاعل الإلكترونات الحرة مع الجزيئات أثناء الاصطدامات، وفي النهاية تغيير حالتها الدورانية. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم اختبار توقعاتهم النظرية في بيئة تجريبية.
يوضح كالوسي: "حتى الآن، لم يتم إجراء أي قياسات لتحديد مدى صحة التغير في مستويات الطاقة الدورانية لكثافة إلكترون معينة ودرجة حرارة معينة".
لجمع هذا القياس، قام كالوسي وزملاؤه بوضع جزيئات مشحونة معزولة على اتصال وثيق مع الإلكترونات عند درجات حرارة حوالي 25 كلفن. وقد سمح لهم ذلك باختبار الافتراضات والتنبؤات النظرية الموضحة في الأعمال السابقة تجريبيًا.
استخدم الباحثون في تجاربهم حلقة تخزين مبردة في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ بألمانيا، مصممة لحزم الأيونات الجزيئية الانتقائية للأنواع. في هذه الحلقة، تتحرك الجزيئات في مدارات تشبه مضمار السباق في حجم مبرد يتم إفراغه إلى حد كبير من أي غازات خلفية أخرى.
يوضح كالوسي: "في الحلقة المبردة، يمكن تبريد الأيونات المخزنة إشعاعيًا إلى درجة حرارة جدران الحلقة، مما ينتج عنه أيونات مملوءة عند أدنى المستويات الكمية القليلة". وقد تم مؤخرًا بناء حلقات التخزين المبردة في العديد من البلدان، ولكن منشأتنا هي الوحيد المجهز بشعاع إلكتروني مصمم خصيصًا والذي يمكن توجيهه للتلامس مع الأيونات الجزيئية. يتم تخزين الأيونات لعدة دقائق في هذه الحلقة، ويتم استخدام الليزر لاستجواب الطاقة الدورانية للأيونات الجزيئية.
ومن خلال اختيار طول موجي بصري محدد لليزر المسبار، تمكن الفريق من تدمير جزء صغير من الأيونات المخزنة إذا كانت مستويات الطاقة الدورانية الخاصة بها تطابق ذلك الطول الموجي. ثم اكتشفوا أجزاء من الجزيئات المعطلة للحصول على ما يسمى بالإشارات الطيفية.
جمع الفريق قياساته في وجود وغياب تصادمات الإلكترونات. وقد سمح لهم ذلك باكتشاف التغيرات في التعداد الأفقي في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة المحددة في التجربة.
قال كالوسي: "لقياس عملية الاصطدامات المتغيرة للحالة الدورانية، من الضروري التأكد من وجود أدنى مستوى طاقة دورانية في الأيون الجزيئي". ومن ثم، في التجارب المعملية، يجب الاحتفاظ بالأيونات الجزيئية في درجات حرارة شديدة البرودة. باستخدام التبريد المبرد إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة، والتي غالبًا ما تكون قريبة من 300 كلفن. في هذا المجلد، يمكن عزل الجزيئات عن الجزيئات المنتشرة في كل مكان، عن طريق الأشعة تحت الحمراء الحرارية لبيئتنا.
في تجاربهم، تمكن كالوسي وزملاؤه من تحقيق ظروف تجريبية تهيمن فيها اصطدامات الإلكترون على التحولات الإشعاعية. وباستخدام عدد كافٍ من الإلكترونات، تمكنوا من جمع قياسات كمية لاصطدامات الإلكترون مع أيونات CH+ الجزيئية.
وقال كالوسي: "لقد وجدنا أن معدل الانتقال الدوراني الناجم عن الإلكترون يتطابق مع التنبؤات النظرية السابقة". توفر قياساتنا أول اختبار تجريبي للتنبؤات النظرية الحالية. ونتوقع أن تركز الحسابات المستقبلية بشكل أكبر على التأثيرات المحتملة لاصطدامات الإلكترون على المجموعات السكانية ذات المستوى الأدنى من الطاقة في الأنظمة الكمومية الباردة والمعزولة.
بالإضافة إلى تأكيد التنبؤات النظرية في بيئة تجريبية لأول مرة، قد يكون للعمل الأخير لهذه المجموعة من الباحثين آثار بحثية مهمة. على سبيل المثال، تشير النتائج التي توصلوا إليها إلى أن قياس معدل التغير الناجم عن الإلكترون في مستويات الطاقة الكمومية يمكن أن يكون وهو أمر بالغ الأهمية عند تحليل الإشارات الضعيفة للجزيئات في الفضاء التي تكتشفها التلسكوبات الراديوية أو التفاعل الكيميائي في البلازما الرقيقة والباردة.
في المستقبل، يمكن أن تمهد هذه الورقة الطريق لدراسات نظرية جديدة تدرس عن كثب تأثير اصطدامات الإلكترون على شغل مستويات الطاقة الكمومية الدورانية في الجزيئات الباردة. وقد يساعد هذا في معرفة أين يكون لاصطدامات الإلكترون التأثير الأقوى، مما يجعل من الممكن إجراء تجارب أكثر تفصيلاً في هذا المجال.
ويضيف كالوسي: "في حلقة التخزين المبردة، نخطط لإدخال تكنولوجيا ليزر أكثر تنوعًا لاستكشاف مستويات الطاقة الدورانية لمزيد من الأنواع الجزيئية ثنائية الذرة ومتعددة الذرات". وسيمهد هذا الطريق لدراسات تصادم الإلكترونات باستخدام أعداد كبيرة من الأيونات الجزيئية الإضافية. . وسيستمر استكمال القياسات المعملية من هذا النوع، خاصة في علم الفلك الرصدي باستخدام مراصد قوية، مثل مصفوفة أتاكاما المليمترية/تحت المليمترية الكبيرة في تشيلي. "
يرجى استخدام هذا النموذج إذا واجهت أخطاء إملائية أو عدم دقة أو كنت ترغب في إرسال طلب تعديل لمحتوى هذه الصفحة. للاستفسارات العامة، يرجى استخدام نموذج الاتصال الخاص بنا. للحصول على تعليقات عامة، يرجى استخدام قسم التعليقات العامة أدناه (يرجى المتابعة المبادئ التوجيهية).
ملاحظاتك مهمة بالنسبة لنا. ومع ذلك، نظرًا لحجم الرسائل، فإننا لا نضمن الردود الفردية.
يتم استخدام عنوان بريدك الإلكتروني فقط للسماح للمستلمين بمعرفة من أرسل البريد الإلكتروني. ولن يتم استخدام عنوانك أو عنوان المستلم لأي غرض آخر. ستظهر المعلومات التي تدخلها في بريدك الإلكتروني ولن يتم الاحتفاظ بها بواسطة Phys.org في أي استمارة.
احصل على تحديثات أسبوعية و/أو يومية يتم تسليمها إلى صندوق الوارد الخاص بك. يمكنك إلغاء الاشتراك في أي وقت ولن نشارك بياناتك مع أطراف ثالثة أبدًا.
يستخدم هذا الموقع ملفات تعريف الارتباط للمساعدة في التنقل، وتحليل استخدامك لخدماتنا، وجمع البيانات لتخصيص الإعلانات، وتقديم المحتوى من أطراف ثالثة. باستخدام موقعنا، فإنك تقر بأنك قد قرأت وفهمت سياسة الخصوصية وشروط الاستخدام الخاصة بنا.