当分子在冷空间中自由移动时，它会通过减慢其旋转并在量子跃迁中失去旋转能量而自发的冷却。物理学家现在已经证明，这种旋转冷却过程可以通过分子与周围粒子的碰撞来加速、减慢甚至是倒置。

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，该实验旨在测量分子与电子碰撞引起的量子跃迁速率。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上，它提供了该速率的首个实验证据，该比率以前仅在理论上进行过估计。

进行这项研究的研究人员之一Ábel Kálosi说：“当电子和分子离子是存在于微弱的电离气体中时，分子的最低量子能级群体可以在碰撞过程中发生变化。这一过程的一个例子是‘星际云’，观察数据显示它的分子主要处在最低的量子态。带负电的电子和带正电的分子离子间的吸引力使电子碰撞过程特别有效。”

物理学家多年来一直在尝试从理论上研究自由电子在碰撞过程中与分子的相互作用，并试图确定改变分子旋转状态的强度。然而到目前为止，他们的理论预测还没有在实验环境中得到检验。

为了收集这一测量结果，Kálosi和他的同事们在大约25开尔文的温度下将孤立的带电分子与电子进行了紧密接触。这使得他们能够通过实验测试先前的理论假设和预测。

在他们的实验中，研究人员在位于德国海德堡的马克斯·普朗克核物理研究所使用了一个低温储存环，它专为该实验选择的分子离子束而设计。在这个环中，分子是在低温空间里一个类似跑道的轨道上移动。

Kálosi解释说：“在低温环中，存储的离子可以通过辐射冷却到环壁的温度，并产生几个以最低量子能级填充的离子。最近也有几个国家建造了一些低温储存环，但我们的设施是唯一一个配备了专门设计的电子束，该电子束可以被引导进去与分子离子发生接触。离子在这个环中储存了几分钟，激光被用来探测分子离子的旋转能量。”

通过为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，则该团队可以破坏一小部分存储的分子离子。然后他们检测了分子被破坏的碎片，以获得光谱信号。

该团队在存在和不存在电子碰撞的两种情况下收集了他们的测量结果。这使他们能够在实验中所设定的低温条件下检测量子能级群体的变化。

Kálosi说：“要测量旋转状态改变碰撞的过程，必须确保分子离子中只有最低的旋转能级。因此，在实验室实验时，分子离子必须保持在极冷的空间中。在这个空间里，分子与室温环境无处不在的红外热辐射相隔离。”

在他们的实验中，Kálosi和他的同事们能够实现电子碰撞来主导辐射跃迁的实验条件。通过使用足够多的电子，他们可以收集与CH+分子离子发生电子碰撞的定量测量结果。

Kálosi说：“我们发现电子诱导的旋转跃迁速率与之前的理论预测相一致。我们的测量提供了对现有理论预测的首次实验检验。我们预计未来的研究工作将更加关注电子碰撞对寒冷、孤立量子系统中最低能级群体的可能影响。”

除了首次在实验环境中确认理论预测外，这组研究人员最近的工作可能具有重要的研究意义。例如，他们的研究结果表明，在分析射电望远镜探测到的太空中分子的微弱信号或稀薄寒冷环境等离子体中的化学反应性时，测量电子引起的量子能级变化速率可能是至关重要的。

未来，这篇论文可以为新的理论研究铺平道路，这些研究更注重考虑电子碰撞对冷分子中旋转量子能级的影响。这可能有助于找出电子碰撞有最强影响的情况，从而有可能在该领域进行更详细的实验。

Kálosi补充道：“在低温储存环中，我们计划引入具有多种功能的激光技术来探测更多双原子和多原子分子种类的旋转能级。这将为使用了大量附加分子离子的电子碰撞研究铺平道路。”（编译：Qtech）