Ein einsames, frei im kalten Raum schwebendes Molekül kühlt sich ab, indem es seine Rotation verlangsamt − es verliert spontan seine Rotationsenergie in Quantenübergängen, normalerweise nur alle paar Sekunden einmal. Dieser Prozess kann durch Stöße mit umgebenden Teilchen beschleunigt, verlangsamt oder sogar umgekehrt werden. In einem Experiment am ultrakalten Speicherring CSR haben Forscher des MPI für Kernphysik die Rate der Quantenübergänge durch Begegnungen zwischen Molekülen und Elektronen gemessen, indem sie isolierte, geladene Moleküle unter kontrollierten Bedingungen bei etwa 26 Kelvin in Kontakt mit Elektronen brachten. Auf diese Weise konnten sie diese bisher nur durch komplexe Berechnungen bekannte Rate hoch genug machen, um sie endlich in einem Experiment quantitativ zu bestimmen. Dazu untersuchten sie laserspektroskopisch die Besetzung von Quantenenergieniveaus in Methyliden-Ionen (CH+) während einer bis zu 10-minütigen Speicherzeit. Da die spontanen Quantenübergänge elektromagnetische Strahlung erzeugen, sind sie auch mit Schwarzkörperanregungen der Moleküle verbunden. Die Elektronen konkurrieren also mit den allgegenwärtigen Strahlungswechselwirkungen, um über die Besetzung der Rotationsquantenniveaus in kalten Molekülen zu bestimmen. Daher sind die durch Elektronen verursachten Änderungsraten der Quantenniveaus von entscheidender Bedeutung für die Analyse der schwachen Signale von Molekülen im Weltraum, die von Radioteleskopen erfasst werden, oder für die Vorhersage der niveauabhängigen chemischen Reaktivität in dünnen, kalten Plasmen.
Originalpublikation:
Laser-probing the rotational cooling of molecular ions by electron collisions, Ábel Kálosi, Manfred Grieser, Robert von Hahn, Ulrich Hechtfischer, Claude Krantz, Holger Kreckel, Damian Müll, Daniel Paul, Daniel W. Savin, Patrick Wilhelm, Andreas Wolf, and Oldrich Novotný, Phys. Rev. Lett. 128, 183402 (2022), DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.183402
Physics synopsis: Electron-Ion Collisions Measured in a Cryogenic Facility
