Usando tecnologia de laser para medir o resfriamento rotacional de íons moleculares colidindo com elétrons

Esquema simplificado do experimento mostrando as partes relevantes do anel de armazenamento criogênico (CSR). As trajetórias vermelha e azul destacam os feixes de íons e elétrons, respectivamente. Os íons armazenados podem interagir com o feixe de elétrons mesclado ou um feixe de laser pulsado (linha roxa tracejada). Os produtos de interação do laser são neutros e continuam balisticamente (seta verde) até serem coletados em um detector de contagem de partículas. Crédito:Kalosi et al.

Quando está livre no espaço frio, uma molécula se resfria espontaneamente diminuindo sua rotação e perdendo energia rotacional em transições quânticas. Os físicos mostraram que esse processo de resfriamento rotacional pode ser acelerado, desacelerado e até invertido pelas colisões da molécula com as partículas circundantes.
Pesquisadores do Instituto Max-Planck de Física Nuclear na Alemanha e do Laboratório de Astrofísica de Columbia realizaram recentemente um experimento destinado a medir a taxa de transições quânticas causadas por colisões entre moléculas e elétrons. Suas descobertas, publicadas em Physical Review Letters , oferecem a primeira evidência experimental dessa taxa, que antes era apenas estimada teoricamente.

“Quando elétrons e íons moleculares estão presentes em gases tênues e ionizados, as populações de nível quântico mais baixo das moléculas podem ser alteradas em um processo de colisão”, disse Ábel Kálosi, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Um exemplo desse processo está nas nuvens interestelares, onde as observações revelam moléculas predominantemente em seus estados quânticos mais baixos. A força atrativa entre os elétrons carregados negativamente e os íons moleculares carregados positivamente torna o processo de colisões eletrônicas particularmente eficiente."

Os físicos vêm tentando há muitos anos determinar teoricamente a força com que um elétron livre interage com uma molécula durante as colisões e, finalmente, alterar o estado rotacional da molécula. Até agora, no entanto, suas previsões teóricas não haviam sido testadas em um ambiente experimental.

"Até agora, nenhuma medição poderia determinar a eficácia das mudanças de nível rotacional para uma determinada densidade eletrônica e temperatura", explicou Kálosi.

Para coletar essa medida, Kálosi e seus colegas trouxeram moléculas isoladas e carregadas em contato próximo com elétrons, a uma temperatura de aproximadamente 25 Kelvin. Isto permitiu-lhes testar experimentalmente as hipóteses teóricas e previsões delineadas em trabalhos anteriores.

Em seu experimento, os pesquisadores usaram um anel de armazenamento criogênico no Instituto Max-Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha, projetado para feixes de íons moleculares selecionados por espécies. Nesse anel, as moléculas se movem em uma órbita semelhante a uma pista de corrida em um volume criogênico, que é esvaziado em um grau muito alto de qualquer outro gás de fundo.

“Em um anel criogênico, os íons armazenados podem esfriar radiativamente em direção à temperatura das paredes do anel, gerando íons que são povoados em seus níveis quânticos mais baixos”, explicou Kálosi. "Há um punhado de anéis de armazenamento criogênico construídos recentemente em alguns países, mas nossa instalação é a única equipada com um feixe de elétrons especialmente projetado que pode ser direcionado para entrar em contato com os íons moleculares. Os íons são armazenados por muitos minutos neste anel, e um laser é usado para interrogar a energia rotacional dos íons moleculares."

Impressão artística de uma colisão de mudança de estado rotacional entre um alvo molecular (CH+) e um elétron. Os estados quânticos rotacionais da molécula marcada por J são quantizados e separados por etapas de energia bem determinadas. Somente quando a energia de colisão das partículas excede esse limite, o número quântico J pode aumentar em uma colisão. Caso contrário, observamos uma redução líquida em J que é o efeito de resfriamento rotacional das colisões, como em nosso experimento. Crédito:Kalosi et al.

Ao selecionar um comprimento de onda óptico específico para seu laser de sondagem, a equipe poderia destruir uma fração muito pequena dos íons armazenados, se seu nível de energia rotacional correspondesse a esse comprimento de onda. Eles então detectaram os fragmentos das moléculas destruídas para obter o chamado sinal de espectroscopia.

A equipe coletou suas medidas tanto na presença quanto na ausência de colisões de elétrons. Isso permitiu que eles detectassem mudanças de nível populacional sob as condições criogênicas estabelecidas em seu experimento.

"Para medir o processo de colisões de mudança de estado rotacional, deve-se garantir que apenas os níveis de energia rotacional mais baixos sejam preenchidos nos íons moleculares", disse Kálosi. "Assim, em um experimento de laboratório, os íons moleculares devem ser mantidos em um volume extremamente frio, usando resfriamento criogênico a uma temperatura consideravelmente menor do que a temperatura ambiente usual de cerca de 300 Kelvin. Nesse volume, as moléculas podem ser isoladas do onipresente , radiação de calor infravermelha do nosso ambiente."

Em seu experimento, Kálosi e seus colegas conseguiram realizar condições experimentais nas quais as colisões de elétrons dominavam as transições radiativas. Usando elétrons suficientes, eles poderiam coletar uma medida quantitativa de colisões eletrônicas com CH⁺ íons moleculares.

"Encontramos taxas de transições rotacionais induzidas por elétrons compatíveis com previsões teóricas anteriores", disse Kálosi. "Nossas medições forneceram o primeiro teste experimental das previsões teóricas existentes. Esperamos que os cálculos futuros se concentrem mais fortemente na possível influência de colisões eletrônicas nas populações de nível mais baixo de energia em sistemas quânticos frios e isolados."

Além de confirmar pela primeira vez as previsões teóricas em um ambiente experimental, o trabalho recente dessa equipe de pesquisadores pode ter importantes implicações de pesquisa. Por exemplo, suas descobertas sugerem que medir as taxas de mudanças no nível quântico induzidas por elétrons pode ser crucial ao analisar sinais fracos de moléculas no espaço detectadas por radiotelescópios ou a reatividade química em plasmas diluídos e frios.

No futuro, este artigo poderá abrir caminho para novos estudos teóricos que considerem mais de perto a influência das colisões eletrônicas na ocupação dos níveis quânticos rotacionais em moléculas frias. Isso pode ajudar a identificar casos em que as colisões eletrônicas têm os efeitos mais fortes, levando potencialmente a experimentos mais detalhados nessa área.

“No anel de armazenamento criogênico, planejamos introduzir técnicas de laser mais versáteis para sondar os níveis de energia rotacional para espécies moleculares mais diatômicas e poliatômicas”, acrescentou Kálosi. "Isso abrirá o caminho para estudos de colisão eletrônica com uma grande variedade de íons moleculares adicionais. Esse tipo de medição de laboratório continuará a complementar, especialmente a astronomia observacional, usando os poderosos observatórios como o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array no Chile." + Explorar mais