Einsatz von Lasertechnologie zur Messung der Rotationskühlung von Molekülionen, die mit Elektronen kollidieren

Wenn es frei im kalten Raum ist, kühlt sich ein Molekül spontan ab, indem es seine Rotation verlangsamt und bei Quantenübergängen Rotationsenergie verliert. Physiker haben gezeigt, dass dieser Rotationskühlungsprozess durch Kollisionen des Moleküls mit umgebenden Teilchen beschleunigt, verlangsamt und sogar umgekehrt werden kann.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Deutschland und des Columbia Astrophysics Laboratory haben kürzlich ein Experiment durchgeführt, das darauf abzielt, die Geschwindigkeit von Quantenübergängen zu messen, die durch Kollisionen zwischen Molekülen und Elektronen verursacht werden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungbieten den ersten experimentellen Beweis für diese bisher nur theoretisch geschätzte Geschwindigkeit.

„Wenn Elektronen und Molekülionen in dünnen, ionisierten Gasen vorhanden sind, können die Populationen der Moleküle auf der niedrigsten Quantenebene in einem Kollisionsprozess verändert werden“, sagte Ábel Kálosi, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Ein Beispiel für diesen Prozess sind interstellare Wolken, wo Beobachtungen Moleküle überwiegend in ihren niedrigsten Quantenzuständen zeigen. Die Anziehungskraft zwischen den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Molekülionen macht den Prozess der elektronischen Kollisionen besonders effizient.“

Physiker versuchen seit vielen Jahren theoretisch zu bestimmen, mit welcher Stärke ein freies Elektron bei Stößen mit einem Molekül wechselwirkt und letztendlich den Rotationszustand des Moleküls verändert. Bisher waren ihre theoretischen Vorhersagen jedoch nicht in einem experimentellen Umfeld getestet worden.

„Bisher konnte keine Messung die Wirksamkeit der Änderungen des Rotationsniveaus bei einer gegebenen Elektronendichte und Temperatur bestimmen“, erklärte Kálosi.

Um diese Messung durchzuführen, brachten Kálosi und seine Kollegen isolierte, geladene Moleküle bei einer Temperatur von etwa 25 Kelvin in engen Kontakt mit Elektronen. Dies ermöglichte es ihnen, die in früheren Arbeiten skizzierten theoretischen Hypothesen und Vorhersagen experimentell zu testen.

In ihrem Experiment verwendeten die Forscher einen kryogenen Speicherring am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, Deutschland, der für artselektierte Molekülionenstrahlen ausgelegt ist. In diesem Ring bewegen sich Moleküle auf einer rennbahnähnlichen Umlaufbahn in einem kryogenen Volumen, das von jeglichem anderen Hintergrundgas weitestgehend entleert ist.

„In einem kryogenen Ring können die gespeicherten Ionen durch Strahlung auf die Temperatur der Ringwände abkühlen und Ionen erzeugen, die in ihren niedrigsten Quantenniveaus besiedelt sind“, erklärte Kálosi. „Es gibt eine Handvoll kryogener Speicherringe, die kürzlich in einigen Ländern gebaut wurden, aber unsere Anlage ist die einzige, die mit einem speziell konstruierten Elektronenstrahl ausgestattet ist, der so gelenkt werden kann, dass er mit den Molekülionen in Kontakt kommt. Die Ionen werden viele Minuten lang gespeichert in diesem Ring, und mit einem Laser wird die Rotationsenergie der Molekülionen abgefragt.“

Durch die Auswahl einer bestimmten optischen Wellenlänge für ihren Sondenlaser konnte das Team einen sehr kleinen Bruchteil der gespeicherten Ionen zerstören, wenn ihr Rotationsenergieniveau dieser Wellenlänge entsprach. Anschließend detektierten sie die Fragmente der zerstörten Moleküle, um ein sogenanntes Spektroskopiesignal zu erhalten.

Das Team sammelte seine Messungen sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Elektronenkollisionen. Dies ermöglichte es ihnen, Niveau-Populationsänderungen unter den in ihrem Experiment eingestellten kryogenen Bedingungen zu erkennen.

„Um den Prozess der Rotationszustandsänderungskollisionen zu messen, muss man sicherstellen, dass nur die niedrigsten Rotationsenergieniveaus in den Molekülionen vorkommen“, sagte Kálosi. „In einem Laborexperiment müssen die Molekül-Ionen daher in einem extrem kalten Volumen gehalten werden, und zwar mittels kryogener Kühlung auf eine Temperatur, die deutlich unter der üblichen Raumtemperatur von fast 300 Kelvin liegt. In diesem Volumen können die Moleküle von der Allgegenwart isoliert werden.“ , infrarote Wärmestrahlung unserer Umwelt.“

In ihrem Experiment konnten Kálosi und seine Kollegen experimentelle Bedingungen realisieren, bei denen Elektronenstöße über strahlende Übergänge dominierten. Indem sie genügend Elektronen verwendeten, konnten sie dann eine quantitative Messung elektronischer Kollisionen mit CH+-Molekülionen sammeln.

„Wir fanden Raten für elektroneninduzierte Rotationsübergänge, die mit früheren theoretischen Vorhersagen kompatibel sind“, sagte Kálosi. „Unsere Messungen lieferten den ersten experimentellen Test der bestehenden theoretischen Vorhersagen. Wir erwarten, dass sich zukünftige Berechnungen stärker auf den möglichen Einfluss elektronischer Kollisionen auf die Populationen der niedrigsten Energieniveaus in kalten, isolierten Quantensystemen konzentrieren werden.“

Neben der erstmaligen Bestätigung theoretischer Vorhersagen in einem experimentellen Umfeld könnten die jüngsten Arbeiten dieses Forscherteams wichtige Auswirkungen auf die Forschung haben. Ihre Ergebnisse deuten beispielsweise darauf hin, dass die Messung elektroneninduzierter Änderungen auf Quantenebene entscheidend sein könnte, wenn schwache Signale von Molekülen im Weltraum analysiert werden, die von Radioteleskopen oder der chemischen Reaktivität in verdünnten und kalten Plasmen erfasst werden.

In Zukunft könnte diese Arbeit den Weg für neue theoretische Studien ebnen, die den Einfluss elektronischer Stöße auf die Besetzung von Rotationsquantenniveaus in kalten Molekülen genauer betrachten. Dies könnte helfen, Fälle herauszufiltern, in denen elektronische Kollisionen die stärksten Auswirkungen haben, was möglicherweise zu detaillierteren Experimenten in diesem Bereich führen könnte.

„Am kryogenen Speicherring planen wir, vielseitigere Lasertechniken einzuführen, um die Rotationsenergieniveaus für mehr zweiatomige und mehratomige Molekülarten zu untersuchen“, fügte Kálosi hinzu. „Dies wird den Weg für elektronische Kollisionsstudien mit einer großen Auswahl an zusätzlichen Molekülionen ebnen. Diese Art von Labormessungen wird insbesondere die beobachtende Astronomie weiterhin ergänzen, indem leistungsstarke Observatorien wie das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chile verwendet werden.“

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