實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化示意圖顯示了低溫儲(chǔ)存環(huán)（CSR）的相關(guān)部分。紅色和藍(lán)色軌跡分別突出顯示離子束和電子束。儲(chǔ)存的離子可以與合并的電子束或脈沖激光束（虛線紫線）相互作用。激光相互作用產(chǎn)物是中性的，并繼續(xù)彈道（綠色箭頭），直到收集在粒子計(jì)數(shù)探測(cè)器上。圖片來(lái)源：Kalosi et al.
當(dāng)它在寒冷的空間中自由時(shí)，分子將通過(guò)減緩其旋轉(zhuǎn)并在量子躍遷中失去旋轉(zhuǎn)能量而自發(fā)冷卻。物理學(xué)家已經(jīng)證明，這種旋轉(zhuǎn)冷卻過(guò)程可以通過(guò)分子與周?chē)Ｗ拥呐鲎捕铀?，減慢甚至反轉(zhuǎn)。
德國(guó)馬克斯-普朗克核物理研究所和哥倫比亞天體物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，旨在測(cè)量分子和電子之間碰撞引起的量子躍遷速率。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，為這一比率提供了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，而這個(gè)比率以前只是理論上估計(jì)的。
“當(dāng)電子和分子離子存在于脆弱的電離氣體中時(shí)，分子的最低量子級(jí)群體可以在碰撞過(guò)程中發(fā)生變化，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一ábel Kálosi告訴 Phys.org?！斑@個(gè)過(guò)程的一個(gè)例子是在星際云中，觀測(cè)顯示分子主要處于最低量子態(tài)。帶負(fù)電的電子和帶正電的分子離子之間的吸引力使得電子碰撞的過(guò)程特別有效。
多年來(lái)，物理學(xué)家一直試圖從理論上確定自由電子在碰撞過(guò)程中與分子相互作用的強(qiáng)度，并最終改變分子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。然而，到目前為止，他們的理論預(yù)測(cè)尚未在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。
“到目前為止，沒(méi)有任何測(cè)量可以確定給定電子密度和溫度下旋轉(zhuǎn)水平變化的有效性，”Kálosi解釋說(shuō)。
為了收集這一測(cè)量結(jié)果，Kálosi和他的同事們帶來(lái)了與電子緊密接觸的分離的帶電分子，溫度約為25開(kāi)爾文。這使他們能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試先前作品中概述的理論假設(shè)和預(yù)測(cè)。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了德國(guó)海德堡馬克斯-普朗克核物理研究所的低溫儲(chǔ)存環(huán)，該環(huán)是為物種選擇的分子離子束設(shè)計(jì)的。在這個(gè)環(huán)中，分子在類(lèi)似賽道的軌道軌道上以低溫體積移動(dòng)，該體積從任何其他背景氣體中排空到非常高的程度。
“在低溫環(huán)中，儲(chǔ)存的離子可以輻射冷卻到環(huán)壁的溫度，產(chǎn)生以最低的幾個(gè)量子能級(jí)填充的離子，”Kálosi解釋說(shuō)?！白罱趲讉€(gè)國(guó)家建造了一些低溫儲(chǔ)存環(huán)，但我們的設(shè)施是唯一配備專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電子束的設(shè)施，可以轉(zhuǎn)向與分子離子接觸。離子在這個(gè)環(huán)中儲(chǔ)存了幾分鐘，并且使用激光來(lái)詢(xún)問(wèn)分子離子的旋轉(zhuǎn)能。
藝術(shù)家對(duì)分子靶標(biāo)（CH+）和電子之間旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化碰撞的印象。由J標(biāo)記的分子的旋轉(zhuǎn)量子態(tài)被量子化并通過(guò)確定的能量階躍分離。只有當(dāng)粒子的碰撞能量超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，量子數(shù)J才能在碰撞中增加。否則，我們觀察到J中的凈減少是碰撞的旋轉(zhuǎn)冷卻效應(yīng)，例如在我們的實(shí)驗(yàn)中。圖片來(lái)源：Kalosi et al.
通過(guò)為他們的探測(cè)激光選擇特定的光學(xué)波長(zhǎng)，如果它們的旋轉(zhuǎn)能級(jí)與該波長(zhǎng)匹配，該團(tuán)隊(duì)可以破壞非常小一部分存儲(chǔ)的離子。然后，他們檢測(cè)被破壞分子的碎片，以獲得所謂的光譜信號(hào)。
該團(tuán)隊(duì)在存在和不存在電子碰撞的情況下收集了他們的測(cè)量結(jié)果。這使他們能夠在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的低溫條件下檢測(cè)水平種群變化。
“為了測(cè)量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化碰撞的過(guò)程，必須確保只有最低的旋轉(zhuǎn)能級(jí)被填充在分子離子中，”Kálosi說(shuō)?！耙虼?，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，分子離子必須保持在極冷的體積中，使用低溫冷卻到遠(yuǎn)低于通常的近300開(kāi)爾文室溫的溫度。在這個(gè)體積中，分子可以從我們環(huán)境中無(wú)處不在的紅外熱輻射中分離出來(lái)。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，Kálosi和他的同事們能夠?qū)崿F(xiàn)電子碰撞主導(dǎo)輻射躍遷的實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)使用足夠的電子，他們可以收集與CH分子離子的電子碰撞的定量測(cè)量值。+
“我們發(fā)現(xiàn)電子誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)躍遷速率與先前的理論預(yù)測(cè)相容，”Kálosi說(shuō)?！拔覀兊臏y(cè)量為現(xiàn)有理論預(yù)測(cè)提供了第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。我們預(yù)計(jì)，未來(lái)的計(jì)算將更加強(qiáng)烈地關(guān)注電子碰撞對(duì)冷的、孤立的量子系統(tǒng)中最低能級(jí)人群的可能影響。
除了首次在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中證實(shí)理論預(yù)測(cè)外，該團(tuán)隊(duì)研究人員最近的工作還可能具有重要的研究意義。例如，他們的研究結(jié)果表明，在分析射電望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到的空間中分子的微弱信號(hào)或稀薄和冷等離子體中的化學(xué)反應(yīng)性時(shí)，測(cè)量電子誘導(dǎo)的量子能級(jí)變化速率可能至關(guān)重要。
未來(lái)，本文可能為新的理論研究鋪平道路，這些理論研究更緊密地考慮了電子碰撞對(duì)冷分子中旋轉(zhuǎn)量子能級(jí)占領(lǐng)的影響。這可能有助于找出電子碰撞具有最強(qiáng)影響的案例，從而可能導(dǎo)致該領(lǐng)域進(jìn)行更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)。
“在低溫儲(chǔ)存環(huán)上，我們計(jì)劃引入更多通用的激光技術(shù)來(lái)探測(cè)更多雙原子和多原子分子物種的旋轉(zhuǎn)能級(jí)，”Kálosi補(bǔ)充道?！斑@將為使用大量附加分子離子進(jìn)行電子碰撞研究鋪平道路。這種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量將繼續(xù)補(bǔ)充，特別是觀測(cè)天文學(xué)，使用強(qiáng)大的天文臺(tái)，如智利的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列。
更多信息：ábel Kálosi等人，通過(guò)電子碰撞對(duì)分子離子旋轉(zhuǎn)冷卻的激光探測(cè)，物理評(píng)論快報(bào)（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.183402
期刊信息：物理評(píng)論快報(bào)
