實驗的簡化示意圖顯示了低溫儲存環(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），直到收集在粒子計數(shù)探測器上。圖片來源：Kalosi et al.
當(dāng)它在寒冷的空間中自由時，分子將通過減緩其旋轉(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)冷卻過程可以通過分子與周圍粒子的碰撞而加速，減慢甚至反轉(zhuǎn)。
德國馬克斯-普朗克核物理研究所和哥倫比亞天體物理實驗室的研究人員最近進(jìn)行了一項實驗，旨在測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《物理評論快報》上，為這一比率提供了第一個實驗證據(jù)，而這個比率以前只是理論上估計的。
“當(dāng)電子和分子離子存在于脆弱的電離氣體中時，分子的最低量子級群體可以在碰撞過程中發(fā)生變化，”進(jìn)行這項研究的研究人員之一ábel Kálosi告訴 Phys.org?！斑@個過程的一個例子是在星際云中，觀測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程特別有效。
多年來，物理學(xué)家一直試圖從理論上確定自由電子在碰撞過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)測尚未在實驗環(huán)境中進(jìn)行測試。
“到目前為止，沒有任何測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。
為了收集這一測量結(jié)果，Kálosi和他的同事們帶來了與電子緊密接觸的分離的帶電分子，溫度約為25開爾文。這使他們能夠通過實驗測試先前作品中概述的理論假設(shè)和預(yù)測。
在他們的實驗中，研究人員使用了德國海德堡馬克斯-普朗克核物理研究所的低溫儲存環(huán)，該環(huán)是為物種選擇的分子離子束設(shè)計的。在這個環(huán)中，分子在類似賽道的軌道軌道上以低溫體積移動，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)生以最低的幾個量子能級填充的離子，”Kálosi解釋說?！白罱趲讉€國家建造了一些低溫儲存環(huán)，但我們的設(shè)施是唯一配備專門設(shè)計的電子束的設(shè)施，可以轉(zhuǎn)向與分子離子接觸。離子在這個環(huán)中儲存了幾分鐘，并且使用激光來詢問分子離子的旋轉(zhuǎn)能。
藝術(shù)家對分子靶標(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)被量子化并通過確定的能量階躍分離。只有當(dāng)粒子的碰撞能量超過這個閾值時，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)，例如在我們的實驗中。圖片來源：Kalosi et al.
通過為他們的探測激光選擇特定的光學(xué)波長，如果它們的旋轉(zhuǎn)能級與該波長匹配，該團(tuán)隊可以破壞非常小一部分存儲的離子。然后，他們檢測被破壞分子的碎片，以獲得所謂的光譜信號。
該團(tuán)隊在存在和不存在電子碰撞的情況下收集了他們的測量結(jié)果。這使他們能夠在實驗中設(shè)定的低溫條件下檢測水平種群變化。
“為了測量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化碰撞的過程，必須確保只有最低的旋轉(zhuǎn)能級被填充在分子離子中，”Kálosi說。“因此，在實驗室實驗中，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開爾文室溫的溫度。在這個體積中，分子可以從我們環(huán)境中無處不在的紅外熱輻射中分離出來。
在他們的實驗中，Kálosi和他的同事們能夠?qū)崿F(xiàn)電子碰撞主導(dǎo)輻射躍遷的實驗條件。通過使用足夠的電子，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)測相容，”Kálosi說?！拔覀兊臏y量為現(xiàn)有理論預(yù)測提供了第一次實驗測試。我們預(yù)計，未來的計算將更加強(qiáng)烈地關(guān)注電子碰撞對冷的、孤立的量子系統(tǒng)中最低能級人群的可能影響。
除了首次在實驗環(huán)境中證實理論預(yù)測外，該團(tuán)隊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)鏡檢測到的空間中分子的微弱信號或稀薄和冷等離子體中的化學(xué)反應(yīng)性時，測量電子誘導(dǎo)的量子能級變化速率可能至關(guān)重要。
未來，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冷分子中旋轉(zhuǎn)量子能級占領(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)的實驗。
“在低溫儲存環(huán)上，我們計劃引入更多通用的激光技術(shù)來探測更多雙原子和多原子分子物種的旋轉(zhuǎn)能級，”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。這種類型的實驗室測量將繼續(xù)補(bǔ)充，特別是觀測天文學(xué)，使用強(qiáng)大的天文臺，如智利的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列。
更多信息：ábel Kálosi等人，通過電子碰撞對分子離子旋轉(zhuǎn)冷卻的激光探測，物理評論快報（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.183402
期刊信息：物理評論快報
