그것이 차가운 공간에서 자유로울 때, 분자는 회전을 늦추고 양자 전이에서 회전 에너지를 잃음으로써 자발적으로 냉각될 것입니다. 물리학자들은 이 회전 냉각 과정이 주변 입자와 분자의 충돌에 의해 가속되거나 느려지거나 심지어 역전될 수 있음을 보여주었습니다. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
독일 막스플랑크 핵물리학 연구소와 콜롬비아 천체물리학 연구소의 연구원들은 최근 분자와 전자 간의 충돌로 인한 양자 전이 속도를 측정하기 위한 실험을 수행했습니다. Physical Review Letters에 발표된 그들의 발견은 최초의 실험적 증거를 제공합니다. 이 비율은 이전에 이론적으로만 추정되었던 것입니다.
이 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Ábel Kálosi는 Phys.org에 "전자와 분자 이온이 약하게 이온화된 가스에 존재할 때 충돌하는 동안 가장 낮은 양자 수준 분자 집단이 변할 수 있습니다."라고 말했습니다. 이 과정은 성간 구름에 있으며, 관찰 결과 분자는 주로 가장 낮은 양자 상태에 있습니다.음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 분자 이온 사이의 인력은 전자 충돌 과정을 특히 효율적으로 만듭니다.”
수년 동안 물리학자들은 충돌하는 동안 자유 전자가 분자와 얼마나 강하게 상호 작용하여 궁극적으로 회전 상태를 변화시키는지를 이론적으로 결정하려고 노력해 왔습니다. 그러나 지금까지 그들의 이론적 예측은 실험 환경에서 테스트되지 않았습니다.
Kálosi는 "지금까지 주어진 전자 밀도와 온도에 대한 회전 에너지 준위의 변화의 유효성을 결정하기 위한 측정이 이루어지지 않았습니다."라고 설명합니다.
이 측정값을 수집하기 위해 Kálosi와 그의 동료들은 격리된 하전 분자를 약 25Kelvin 온도에서 전자와 밀접하게 접촉시켰습니다. 이를 통해 이전 연구에서 설명한 이론적 가정과 예측을 실험적으로 테스트할 수 있었습니다.
그들의 실험에서 연구원들은 종 선택적 분자 이온 빔을 위해 설계된 독일 하이델베르그에 있는 Max-Planck 원자력 물리학 연구소의 극저온 저장 고리를 사용했습니다. 다른 배경 가스에서 크게 비어 있습니다.
Kálosi는 "극저온 링에서 저장된 이온은 링 벽의 온도까지 복사적으로 냉각되어 가장 낮은 소수의 양자 수준에서 채워진 이온을 생성할 수 있습니다."라고 설명합니다."라고 Kálosi는 설명합니다. 분자 이온과 접촉할 수 있도록 특별히 설계된 전자빔이 장착된 유일한 것.이온은 이 고리에 몇 분 동안 저장되고 레이저는 분자 이온의 회전 에너지를 조사하는 데 사용됩니다."
프로브 레이저에 대한 특정 광학 파장을 선택함으로써 팀은 회전 에너지 수준이 해당 파장과 일치하면 저장된 이온의 작은 부분을 파괴할 수 있습니다. 그런 다음 그들은 파괴된 분자의 조각을 감지하여 소위 스펙트럼 신호를 얻었습니다.
팀은 전자 충돌이 있을 때와 없을 때 측정값을 수집했습니다. 이를 통해 실험에 설정된 저온 조건에서 수평 인구의 변화를 감지할 수 있었습니다.
Kálosi는 "회전 상태 변화 충돌 과정을 측정하려면 분자 이온에 가장 낮은 회전 에너지 준위만 있는지 확인해야 합니다."라고 말했습니다. 따라서 실험실 실험에서 분자 이온은 극도로 차가운 상태로 유지되어야 합니다. 종종 300Kelvin에 가까운 실온보다 훨씬 낮은 온도까지 극저온 냉각을 사용합니다.이 책에서 분자는 우리 환경의 적외선 열 복사인 유비쿼터스 분자에서 분리될 수 있습니다.”
그들의 실험에서 Kálosi와 그의 동료들은 전자 충돌이 복사 전이를 지배하는 실험 조건을 달성할 수 있었습니다. 충분한 전자를 사용하여 CH+ 분자 이온과의 전자 충돌에 대한 정량적 측정을 수집할 수 있었습니다.
"우리는 전자 유도 회전 전이 속도가 이전의 이론적 예측과 일치한다는 것을 발견했습니다."라고 Kálosi는 말했습니다. "우리의 측정은 기존의 이론적 예측에 대한 첫 번째 실험 테스트를 제공합니다.우리는 미래의 계산이 차갑고 고립된 양자 시스템에서 가장 낮은 에너지 준위 집단에 대한 전자 충돌의 가능한 영향에 더 초점을 맞출 것으로 예상합니다.”
처음으로 실험 환경에서 이론적 예측을 확인하는 것 외에도 이 연구원 그룹의 최근 작업은 중요한 연구 의미를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 그들의 발견은 양자 에너지 준위의 전자 유도 변화율을 측정하는 것이 전파 망원경으로 감지된 우주 분자의 약한 신호나 얇고 차가운 플라즈마의 화학 반응성을 분석할 때 매우 중요합니다.
미래에 이 논문은 차가운 분자에서 회전 양자 에너지 준위의 점유에 대한 전자 충돌의 영향을 보다 면밀히 고려하는 새로운 이론적 연구의 길을 열 수 있습니다. 이것은 전자 충돌이 가장 큰 영향을 미치는 위치를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현장에서 보다 상세한 실험을 수행할 수 있습니다.
Kálosi는 "극저온 저장 링에서 더 많은 이원자 및 다원자 분자 종의 회전 에너지 수준을 조사하기 위해 더 다양한 레이저 기술을 도입할 계획입니다."라고 덧붙였습니다. 이는 많은 수의 추가 분자 이온을 사용하는 전자 충돌 연구의 길을 열 것입니다. .이러한 유형의 실험실 측정은 특히 칠레의 Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array와 같은 강력한 관측소를 사용하는 관측 천문학에서 계속 보완될 것입니다."
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게시 시간: 2022년 6월 28일