实验的简化示意图显示了低温储存环（CSR）的相关部分。红色和蓝色轨迹分别突出显示离子束和电子束。储存的离子可以与合并的电子束或脉冲激光束（虚线紫线）相互作用。激光相互作用产物是中性的，并继续弹道（绿色箭头），直到收集在粒子计数探测器上。图片来源：Kalosi et al.
当它在寒冷的空间中自由时，分子将通过减缓其旋转并在量子跃迁中失去旋转能量而自发冷却。物理学家已经证明，这种旋转冷却过程可以通过分子与周围粒子的碰撞而加速，减慢甚至反转。
德国马克斯-普朗克核物理研究所和哥伦比亚天体物理实验室的研究人员最近进行了一项实验，旨在测量分子和电子之间碰撞引起的量子跃迁速率。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，为这一比率提供了第一个实验证据，而这个比率以前只是理论上估计的。
“当电子和分子离子存在于脆弱的电离气体中时，分子的最低量子级群体可以在碰撞过程中发生变化，”进行这项研究的研究人员之一Ábel Kálosi告诉 Phys.org。“这个过程的一个例子是在星际云中，观测显示分子主要处于最低量子态。带负电的电子和带正电的分子离子之间的吸引力使得电子碰撞的过程特别有效。
多年来，物理学家一直试图从理论上确定自由电子在碰撞过程中与分子相互作用的强度，并最终改变分子的旋转状态。然而，到目前为止，他们的理论预测尚未在实验环境中进行测试。
“到目前为止，没有任何测量可以确定给定电子密度和温度下旋转水平变化的有效性，”Kálosi解释说。
为了收集这一测量结果，Kálosi和他的同事们带来了与电子紧密接触的分离的带电分子，温度约为25开尔文。这使他们能够通过实验测试先前作品中概述的理论假设和预测。
在他们的实验中，研究人员使用了德国海德堡马克斯-普朗克核物理研究所的低温储存环，该环是为物种选择的分子离子束设计的。在这个环中，分子在类似赛道的轨道轨道上以低温体积移动，该体积从任何其他背景气体中排空到非常高的程度。
“在低温环中，储存的离子可以辐射冷却到环壁的温度，产生以最低的几个量子能级填充的离子，”Kálosi解释说。“最近在几个国家建造了一些低温储存环，但我们的设施是唯一配备专门设计的电子束的设施，可以转向与分子离子接触。离子在这个环中储存了几分钟，并且使用激光来询问分子离子的旋转能。
艺术家对分子靶标（CH+）和电子之间旋转状态变化碰撞的印象。由J标记的分子的旋转量子态被量子化并通过确定的能量阶跃分离。只有当粒子的碰撞能量超过这个阈值时，量子数J才能在碰撞中增加。否则，我们观察到J中的净减少是碰撞的旋转冷却效应，例如在我们的实验中。图片来源：Kalosi et al.
通过为他们的探测激光选择特定的光学波长，如果它们的旋转能级与该波长匹配，该团队可以破坏非常小一部分存储的离子。然后，他们检测被破坏分子的碎片，以获得所谓的光谱信号。
该团队在存在和不存在电子碰撞的情况下收集了他们的测量结果。这使他们能够在实验中设定的低温条件下检测水平种群变化。
“为了测量旋转状态变化碰撞的过程，必须确保只有最低的旋转能级被填充在分子离子中，”Kálosi说。“因此，在实验室实验中，分子离子必须保持在极冷的体积中，使用低温冷却到远低于通常的近300开尔文室温的温度。在这个体积中，分子可以从我们环境中无处不在的红外热辐射中分离出来。
在他们的实验中，Kálosi和他的同事们能够实现电子碰撞主导辐射跃迁的实验条件。通过使用足够的电子，他们可以收集与CH分子离子的电子碰撞的定量测量值。+
“我们发现电子诱导的旋转跃迁速率与先前的理论预测相容，”Kálosi说。“我们的测量为现有理论预测提供了第一次实验测试。我们预计，未来的计算将更加强烈地关注电子碰撞对冷的、孤立的量子系统中最低能级人群的可能影响。
除了首次在实验环境中证实理论预测外，该团队研究人员最近的工作还可能具有重要的研究意义。例如，他们的研究结果表明，在分析射电望远镜检测到的空间中分子的微弱信号或稀薄和冷等离子体中的化学反应性时，测量电子诱导的量子能级变化速率可能至关重要。
未来，本文可能为新的理论研究铺平道路，这些理论研究更紧密地考虑了电子碰撞对冷分子中旋转量子能级占领的影响。这可能有助于找出电子碰撞具有最强影响的案例，从而可能导致该领域进行更详细的实验。
“在低温储存环上，我们计划引入更多通用的激光技术来探测更多双原子和多原子分子物种的旋转能级，”Kálosi补充道。“这将为使用大量附加分子离子进行电子碰撞研究铺平道路。这种类型的实验室测量将继续补充，特别是观测天文学，使用强大的天文台，如智利的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列。
更多信息：Ábel Kálosi等人，通过电子碰撞对分子离子旋转冷却的激光探测，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.183402
期刊信息：物理评论快报
