Schema semplificato dell'esperimento che mostra le parti rilevanti dell'anello di stoccaggio criogenico (CSR). Le traiettorie rossa e blu evidenziano rispettivamente i fasci di ioni ed elettroni. Gli ioni immagazzinati possono interagire con il fascio di elettroni unito o con un raggio laser pulsato (linea tratteggiata viola). I prodotti di interazione laser sono neutri e continuano balisticamente (freccia verde) fino a quando non vengono raccolti su un rilevatore di conteggio delle particelle. Credito:Kalosi et al.
Quando è libera nello spazio freddo, una molecola si raffredderà spontaneamente rallentando la sua rotazione e perdendo energia rotazionale nelle transizioni quantistiche. I fisici hanno dimostrato che questo processo di raffreddamento rotazionale può essere accelerato, rallentato e persino invertito dalle collisioni della molecola con le particelle circostanti.
I ricercatori del Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Germania e del Columbia Astrophysics Laboratory hanno recentemente condotto un esperimento volto a misurare la velocità delle transizioni quantistiche causate dalle collisioni tra molecole ed elettroni. I loro risultati, pubblicati in Physical Review Letters , offrono la prima prova sperimentale di questo tasso, che in precedenza era stato solo stimato in teoria.
"Quando elettroni e ioni molecolari sono presenti in gas tenui e ionizzati, le popolazioni di livello quantico più basso delle molecole possono essere modificate in un processo di collisione", ha detto a Phys.org Ábel Kálosi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. "Un esempio di questo processo è nelle nubi interstellari, dove le osservazioni rivelano molecole prevalentemente nei loro stati quantici più bassi. La forza di attrazione tra gli elettroni caricati negativamente e gli ioni molecolari caricati positivamente rende il processo di collisioni elettroniche particolarmente efficiente."
I fisici hanno cercato per molti anni di determinare teoricamente la forza con cui un elettrone libero interagisce con una molecola durante le collisioni e, in definitiva, di modificare lo stato di rotazione della molecola. Finora, tuttavia, le loro previsioni teoriche non erano state testate in un contesto sperimentale.
"Finora, nessuna misurazione poteva determinare l'efficacia dei cambiamenti di livello rotazionale per una data densità elettronica e temperatura", ha spiegato Kálosi.
Per raccogliere questa misurazione, Kálosi e i suoi colleghi hanno portato molecole isolate e cariche a stretto contatto con gli elettroni, a una temperatura di circa 25 Kelvin. Ciò ha permesso loro di testare sperimentalmente le ipotesi teoriche e le previsioni delineate nei lavori precedenti.
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un anello di accumulo criogenico presso il Max-Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, in Germania, progettato per fasci di ioni molecolari selezionati per specie. In questo anello, le molecole si muovono su un'orbita simile a una pista in un volume criogenico, che viene svuotato in misura molto elevata da qualsiasi altro gas di fondo.
"In un anello criogenico, gli ioni immagazzinati possono raffreddarsi radiativamente verso la temperatura delle pareti dell'anello, generando ioni che sono popolati nei loro pochi livelli quantici più bassi", ha spiegato Kálosi. "Ci sono una manciata di anelli di accumulo criogenico costruiti di recente in alcuni paesi, ma la nostra struttura è l'unica dotata di un fascio di elettroni appositamente progettato che può essere guidato per entrare in contatto con gli ioni molecolari. Gli ioni vengono immagazzinati per molti minuti in questo anello, e un laser viene utilizzato per interrogare l'energia di rotazione degli ioni molecolari."
Rappresentazione artistica di una collisione che cambia stato rotazionale tra un bersaglio molecolare (CH+) e un elettrone. Gli stati quantistici rotazionali della molecola etichettata da J sono quantizzati e separati da gradini energetici ben determinati. Solo quando l'energia di collisione delle particelle supera questa soglia, il numero quantico J può aumentare in una collisione. Altrimenti, osserviamo una riduzione netta di J che è l'effetto di raffreddamento rotazionale delle collisioni, come nel nostro esperimento. Credito:Kalosi et al.
Selezionando una lunghezza d'onda ottica specifica per il loro laser di rilevamento, il team potrebbe distruggere una frazione molto piccola degli ioni immagazzinati, se il loro livello di energia rotazionale corrispondesse a questa lunghezza d'onda. Hanno quindi rilevato i frammenti delle molecole distrutte per ottenere un cosiddetto segnale di spettroscopia.
Il team ha raccolto le loro misurazioni sia in presenza che in assenza di collisioni di elettroni. Ciò ha consentito loro di rilevare i cambiamenti di livello della popolazione nelle condizioni criogeniche impostate nel loro esperimento.
"Per misurare il processo delle collisioni che cambiano lo stato rotazionale, è necessario assicurarsi che solo i livelli di energia rotazionale più bassi siano popolati negli ioni molecolari", ha affermato Kálosi. "Quindi, in un esperimento di laboratorio, gli ioni molecolari devono essere mantenuti in un volume estremamente freddo, utilizzando il raffreddamento criogenico a una temperatura notevolmente inferiore alla normale temperatura ambiente di quasi 300 Kelvin. In questo volume, le molecole possono essere isolate dall'onnipresente , radiazione termica infrarossa del nostro ambiente."
Nel loro esperimento, Kálosi e i suoi colleghi sono stati in grado di realizzare condizioni sperimentali in cui le collisioni di elettroni hanno dominato le transizioni radiative. Utilizzando un numero sufficiente di elettroni, potrebbero quindi raccogliere una misura quantitativa delle collisioni elettroniche con CH + ioni molecolari.
"Abbiamo trovato i tassi per le transizioni rotazionali indotte da elettroni compatibili con le precedenti previsioni teoriche", ha detto Kálosi. "Le nostre misurazioni hanno fornito il primo test sperimentale delle previsioni teoriche esistenti. Prevediamo che i calcoli futuri si concentreranno maggiormente sulla possibile influenza delle collisioni elettroniche sulle popolazioni di livelli energetici più bassi nei sistemi quantistici isolati e freddi."
Oltre a confermare per la prima volta le previsioni teoriche in un contesto sperimentale, il recente lavoro di questo team di ricercatori potrebbe avere importanti implicazioni di ricerca. Ad esempio, i loro risultati suggeriscono che la misurazione dei tassi di variazione del livello quantistico indotti dagli elettroni potrebbe essere cruciale quando si analizzano deboli segnali di molecole nello spazio rilevati dai radiotelescopi o la reattività chimica nei plasmi diluiti e freddi.
In futuro, questo articolo potrebbe aprire la strada a nuovi studi teorici che considerino più da vicino l'influenza delle collisioni elettroniche sull'occupazione dei livelli quantistici rotazionali nelle molecole fredde. Questo potrebbe aiutare a individuare i casi in cui le collisioni elettroniche hanno gli effetti più forti, portando potenzialmente a esperimenti più dettagliati in quest'area.
"Sull'anello di stoccaggio criogenico, prevediamo di introdurre tecniche laser più versatili per sondare i livelli di energia rotazionale per specie molecolari più biatomiche e poliatomiche", ha aggiunto Kálosi. "Questo aprirà la strada a studi di collisione elettronica con un'ampia gamma di ioni molecolari aggiuntivi. Questo tipo di misurazioni di laboratorio continuerà a completare, in particolare l'astronomia osservativa, utilizzando i potenti osservatori come l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Cile". + Esplora ulteriormente
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