Hur överförs laddning och massa på en atomär nivå?

Paul Barklem

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse beviljade totalt 640 miljoner kronor i projektanslag för 2018 till 22 forskningsprojekt som bedömts hålla högsta internationella klass och ha möjlighet att leda till framtida vetenskapliga genombrott. Institutionen för fysik och astronomi var huvudsökande i två och medsökande i ett av projekten som tilldelades sammanlagt 78,5 miljoner kronor under fem år.

Projektbeskrivning

Huvudsökande: Henrik Cederquist, Stockholms universitet
Medsökande: Paul Barklem, avdelningen för astronomi och rymdfysik
Projekttitel: Hur överförs laddning och massa på en atomär nivå?
Beviljade medel: 37 200 000 kronor under fem år

Målet med detta projekt är att experimentellt och teoretiskt studera reaktioner mellan atomära och molekylära joner i väldefinierade kvanttillstånd vid olika välkontrollerade kollisionsenergier. Detta för att förstå reaktionsdynamiken i sig men också för att bättre förstå de miljöer där dessa processer är viktiga som t.ex. i det interstellära mediet eller i planet- och stjärnatmosfärer. Genom att lära oss mer om hur laddning och massa överförs på atomär nivå kommer vi att närmare kunna diskutera viktiga frågor kring hur molekyler bildas och förstörs i rymden. Detta ger t.ex. bättre möjligheter att extrahera information om stjärnors kemiska sammansättningar vilket bör ge viktiga ledtrådar till hur Vintergatan och andra galaxer utvecklats.

Experimentella studier kommer att utföras vid den VR-stödda Nationella Infrastrukturen DESIREE med sina två kryogeniska (13 K) jon-lagringsringar. Denna anläggning är den enda i världen där man kan studera ömsesidig neutralisation mellan positivt och negativt laddade joner i väldefinierade kvanttillstånd och dessutom med precis kontroll av kollisionsenergin ända ned till meV-området. Jämförelser mellan nya experimentella och teoretiska resultat ger oss goda möjligheter att utveckla nya teoretiska modeller.

Vi kommer inledningsvis att fokusera på studier av elektronöverföringsprocesser mellan par av atomära joner, där våra experimentella och beräknade data kommer att användas för tolkning av stjärnspektra. Atomer och joner av metaller – som t.ex. litium, natrium, magnesium eller järn förekommer i många stjärnors atmosfärer. Där absorberar de ljus vilket ger upphov till strukturer i stjärnspektra. För att kunna dra slutsatser om mängden av metallerna måste sannolikheterna för alla processer som leder till de observerade spektralstrukturerna vara kända. Här är ömsesidig neutralisation viktig och experimentella nyckeldata kommer att säkras vid relevanta kollisionsenergier. Sådana referensdata kommer att användas för att avgöra vilka av våra teoretiska verktyg som bäst beskriver centrala laddningsöverföringsprocesser. Verktygen kan sedan användas för att beskriva andra astrofysikaliska miljöer med liknande eller andra sammansättningar. Vi hoppas att våra resultat kommer att kunna bidra till att förstå hur Vintergatan utvecklats, genom precisa bestämningar av metallhalten i många olika stjärnors atmosfärer. För att nå dit behöver vi förstå laddnings- och massöverföringsprocesser i detalj.

DESIREE ger oss också unika möjligheter att studera kollisioner mellan atomära och molekylära joner som t.ex. OH-, CN- eller H2+. De molekylära jonerna kan prepareras  i väldefinierade vibrations- och rotationstillstånd. Resultaten kommer att användas i modeller av planetatmosfärer och interstellär kemi. Här läggs grunden för projektets nästa steg där vi studerar större molekyler, som till exempel fullerener (C60). Dessa slutna kolstrukturer har nyligen identifierats i rymden via karakteristiska emissions- och absorptionsegenskaper. Det har visat sig att C60+ ger upphov till några av de ca 400 så kallade diffusa interstellära banden, vars ursprung har gäckat världens astronomer under nästan hundra år. De många återstående oidentifierade banden skulle kunna härstamma från andra komplexa kolbaserade molekyler. Man vet heller inte hur fullerener (eller andra komplexa molekyler) bildas och överlever i vitt skilda astrofysikaliska miljöer. I det här projektet kommer vi att undersöka dessa aspekter på ett unikt kontrollerat sätt och för första gången under förhållanden som nära efterliknar de i interstellära och andra astrofysikaliskt intressanta miljöer.