冷库仑晶体宇宙线索揭开空间化学之谜

虽然看起来可能不像，但恒星之间的星际空间远非空无一物。原子、离子、分子等都存在于被称为星际介质(ISM)的虚幻环境中。几十年来，ISM一直让科学家们着迷，因为在其寒冷、低压的环境中至少形成了200种独特的分子。这是一门将化学、物理和天文学领域联系在一起的学科，每个领域的科学家都致力于确定其中发生的化学反应类型。

现在，在《物理化学杂志A》的封面文章中，JILA研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授HeatherLewandowski和前JILA研究生OliviaKrohn强调了他们通过使用库仑晶体(一种冷伪晶体结构)来模拟ISM条件的工作，观察离子和中性分子相互作用。

通过实验，研究人员通过使用精确的激光冷却和质谱来控制量子态，解决了离子中性反应中的化学动力学问题，从而使他们能够成功模拟ISM化学反应。他们的工作使科学家更接近回答有关宇宙化学发展的一些最深刻的问题。

通过能量过滤

该论文的第一作者克罗恩解释说：“该领域长期以来一直在思考哪些化学反应对于告诉我们星际介质的构成最重要。”

“其中一个非常重要的组是离子中性分子反应。这正是莱万多夫斯基组中的实验装置所适合的，不仅可以研究离子中性化学反应，还可以在相对较低的温度下进行研究。”

为了开始实验，克罗恩和莱万多夫斯基小组的其他成员在超高真空室中的离子阱中装载了各种离子。单独引入中性分子。虽然研究人员知道ISM型化学实验中的反应物，但他们并不总是确定会产生什么产品。根据他们的测试，研究人员使用了与ISM中类似的不同类型的离子和中性分子。这包括从四氯乙烯中碎片化的CCl+离子。

“CCl+据预测存在于太空的不同区域。但没有人能够通过地球上的实验有效测试其反应性，因为它很难制造，”克罗恩补充道。“你必须使用紫外激光将其从四氯乙烯中分解出来。这会产生各种离子碎片，而不仅仅是CCl+，这会使事情变得复杂。”

无论是使用钙离子还是CCl+离子，实验装置都允许研究人员利用共振激发过滤掉不需要的离子，留下所需的化学反应物。

“你可以以与特定离子的质荷比共振的频率摇动陷阱，这会将它们从陷阱中弹出，”克罗恩说。

通过激光冷却以产生库仑晶体

过滤后，研究人员使用称为多普勒冷却的过程冷却离子。该技术使用激光来减少原子或离子的运动，通过利用多普勒效应优先减慢向冷却激光移动的粒子，从而有效地冷却它们。

当多普勒冷却将粒子的温度降低到毫开尔文水平时，离子将自身排列成伪晶体结构，即库仑晶体，由真空室内的电场固定到位。由此产生的库仑晶体是椭圆体形状，较重的分子位于钙离子外部的壳中，由于质荷比的差异，较轻的粒子被较轻的粒子推出陷阱的中心。

由于含有离子的深陷阱，库仑晶体可以被困数小时，克罗恩和团队可以在这个陷阱中对它们进行成像。在分析图像时，研究人员可以实时识别和监控反应，观察离子根据质荷比自行组织。

该团队还通过微调冷却激光器来确定钙离子与一氧化氮反应的量子态依赖性，这有助于产生被捕获的钙离子的某些相对量子态群。

“有趣的是，它利用了其中一种更具体的原子物理技术来研究量子解析反应，我认为这更多地体现了化学、天文学和物理学这三个领域的物理本质，甚至尽管这三个人仍然参与其中，”克罗恩补充道。

时机就是一切

除了陷阱过滤和多普勒冷却之外，研究人员的第三种实验技术帮助他们模拟ISM反应：飞行时间质谱(TOF-MS)设置。在实验的这一部分中，高压脉冲使离子沿着飞行管加速，在那里它们与微通道板探测器碰撞。研究人员可以根据离子撞击板所需的时间及其成像技术来确定陷阱中存在哪些粒子。

“正因为如此，我们已经能够进行一些不同的研究，我们可以解决反应物和产物离子的邻近质量，”克罗恩补充道。

ISM化学实验装置的第三臂进一步提高了分辨率，因为研究人员现在有多种方法来确定ISM类型反应中产生的产物及其各自的质量。

计算潜在产物的质量尤其重要，因为团队可以用不同质量的同位素体替换最初的反应物，看看会发生什么。

正如克罗恩所阐述的那样，“这使我们能够发挥很酷的技巧，例如用氘原子取代氢或用更重的同位素取代不同的原子。当我们这样做时，我们可以从飞行时间质谱中看到我们的产品发生了怎样的变化，让我们对如何分配这些产品的知识更有信心。”

由于天体化学家观察到ISM中的含氘分子比观察到的原子氘氢比所预期的要多，因此在此类实验中交换同位素使研究人员能够更进一步地确定其原因。

“我认为，在这种情况下，它使我们能够很好地检测我们所看到的东西，”克罗恩说。“这打开了更多的门。”