Utilisation de la technologie laser pour mesurer le refroidissement rotationnel des ions moléculaires entrant en collision avec les électrons

Lorsqu’elle est libre dans l’espace froid, une molécule se refroidit spontanément en ralentissant sa rotation et en perdant de l’énergie de rotation dans les transitions quantiques. Les physiciens ont montré que ce processus de refroidissement par rotation peut être accéléré, ralenti et même inversé par les collisions de la molécule avec les particules environnantes.

Des chercheurs de l’Institut Max-Planck de physique nucléaire en Allemagne et du Laboratoire d’astrophysique de Columbia ont récemment réalisé une expérience visant à mesurer le taux de transitions quantiques provoquées par des collisions entre molécules et électrons. Leurs conclusions, publiées dans Lettres d’examen physiqueoffrent la première preuve expérimentale de ce taux, qui n’avait jusqu’alors été qu’estimé théoriquement.

« Lorsque des électrons et des ions moléculaires sont présents dans des gaz ténus et ionisés, les populations de niveau quantique le plus bas des molécules peuvent être modifiées dans un processus de collision », a déclaré Ábel Kálosi, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Un exemple de ce processus est dans les nuages ​​interstellaires, où les observations révèlent des molécules principalement dans leurs états quantiques les plus bas. La force d’attraction entre les électrons chargés négativement et les ions moléculaires chargés positivement rend le processus de collisions électroniques particulièrement efficace. »

Les physiciens tentent depuis de nombreuses années de déterminer théoriquement la force avec laquelle un électron libre interagit avec une molécule lors de collisions et modifie finalement l’état de rotation de la molécule. Jusqu’à présent, cependant, leurs prédictions théoriques n’avaient pas été testées dans un cadre expérimental.

« Jusqu’à présent, aucune mesure ne pouvait déterminer l’efficacité des changements de niveau de rotation pour une densité et une température d’électrons données », a expliqué Kálosi.

Pour collecter cette mesure, Kálosi et ses collègues ont amené des molécules isolées et chargées en contact étroit avec des électrons, à une température d’environ 25 Kelvin. Cela leur a permis de tester expérimentalement les hypothèses théoriques et les prédictions décrites dans les travaux précédents.

Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé un anneau de stockage cryogénique à l’Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg, en Allemagne, conçu pour des faisceaux d’ions moléculaires sélectionnés. Dans cet anneau, les molécules se déplacent sur une orbite en forme d’hippodrome dans un volume cryogénique, qui est vidé à un degré très élevé de tout autre gaz de fond.

« Dans un anneau cryogénique, les ions stockés peuvent se refroidir par rayonnement vers la température des parois de l’anneau, générant des ions qui sont peuplés dans leurs niveaux quantiques les plus bas », a expliqué Kálosi. « Il existe une poignée d’anneaux de stockage cryogénique récemment construits dans quelques pays, mais notre installation est la seule équipée d’un faisceau d’électrons spécialement conçu qui peut être dirigé pour entrer en contact avec les ions moléculaires. Les ions sont stockés pendant de nombreuses minutes. dans cet anneau, et un laser est utilisé pour interroger l’énergie de rotation des ions moléculaires. »

En sélectionnant une longueur d’onde optique spécifique pour leur laser de sondage, l’équipe pourrait détruire une très petite fraction des ions stockés, si leur niveau d’énergie de rotation correspondait à cette longueur d’onde. Ils ont ensuite détecté les fragments des molécules détruites pour atteindre un signal dit de spectroscopie.

L’équipe a recueilli ses mesures en présence et en l’absence de collisions d’électrons. Cela leur a permis de détecter les changements de niveau de population dans les conditions cryogéniques définies dans leur expérience.

« Pour mesurer le processus de collisions à changement d’état de rotation, il faut s’assurer que seuls les niveaux d’énergie de rotation les plus bas sont peuplés dans les ions moléculaires », a déclaré Kálosi. « Par conséquent, dans une expérience de laboratoire, les ions moléculaires doivent être conservés dans un volume extrêmement froid, en utilisant un refroidissement cryogénique à une température considérablement inférieure à la température ambiante habituelle proche de 300 Kelvin. Dans ce volume, les molécules peuvent être isolées de l’omniprésent , le rayonnement thermique infrarouge de notre environnement. »

Dans leur expérience, Kálosi et ses collègues ont pu réaliser des conditions expérimentales dans lesquelles les collisions d’électrons dominaient les transitions radiatives. En utilisant suffisamment d’électrons, ils pourraient alors collecter une mesure quantitative des collisions électroniques avec les ions moléculaires CH+.

« Nous avons trouvé des taux de transitions rotationnelles induites par les électrons compatibles avec les prédictions théoriques précédentes », a déclaré Kálosi. « Nos mesures ont fourni le premier test expérimental des prédictions théoriques existantes. Nous nous attendons à ce que les calculs futurs se concentrent plus fortement sur l’influence possible des collisions électroniques sur les populations au niveau d’énergie le plus bas dans les systèmes quantiques froids et isolés. »

En plus de confirmer pour la première fois des prédictions théoriques dans un cadre expérimental, les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient avoir d’importantes implications pour la recherche. Par exemple, leurs découvertes suggèrent que la mesure des taux de changements au niveau quantique induits par les électrons pourrait être cruciale lors de l’analyse de faibles signaux de molécules dans l’espace détectés par des radiotélescopes ou de la réactivité chimique dans des plasmas dilués et froids.

À l’avenir, cet article pourrait ouvrir la voie à de nouvelles études théoriques qui examineraient de plus près l’influence des collisions électroniques sur l’occupation des niveaux quantiques de rotation dans les molécules froides. Cela pourrait aider à identifier les cas dans lesquels les collisions électroniques ont les effets les plus forts, conduisant potentiellement à des expériences plus détaillées dans ce domaine.

« Sur l’anneau de stockage cryogénique, nous prévoyons d’introduire des techniques laser plus polyvalentes pour sonder les niveaux d’énergie de rotation d’espèces moléculaires plus diatomiques et polyatomiques », a ajouté Kálosi. « Cela ouvrira la voie à des études de collisions électroniques avec une large gamme d’ions moléculaires supplémentaires. Ce type de mesures en laboratoire continuera à compléter, en particulier l’astronomie d’observation, en utilisant les puissants observatoires comme le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array au Chili. »

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