Hoe verlopen chemische reacties bij extreem lage temperaturen? Het antwoord vereist het onderzoek van moleculaire monsters die koud zijn, gespannen, en langzaam tegelijk. Wetenschappers rond Dr. Martin Zeppenfeld van de Quantum Dynamics Division van Prof. Gerhard Rempe van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching hebben nu een belangrijke stap in deze richting gezet door een nieuwe koelmethode te ontwikkelen:de zogenaamde "cryofuge" combineert cryogene buffergaskoeling met een speciaal soort centrifuge waarin roterende elektrische velden de voorgekoelde moleculen vertragen tot snelheden van minder dan 20 meter per seconde.

Vanwege de hoge fluxdichtheden die werden bereikt, slaagde het team erin botsingen tussen de koude moleculen waar te nemen. Voor twee chemische verbindingen met een sterk elektrisch dipoolmoment, de aanvaringskans en de afhankelijkheid van snelheid en fluxdichtheid werden daarbij bepaald ( Wetenschap , 13 oktober 2017). De nieuwe techniek is een mijlpaal voor het opkomende gebied van koude chemie en zou het perspectief kunnen openen voor het beheersen en manipuleren van chemische routes bij extreem lage temperaturen.

De productie van koude moleculen is een grote uitdaging gebleken:laserkoeling – een zeer efficiënte methode voor atomen – werkt over het algemeen niet voor moleculen omdat ze naast de elektronische toestanden ook vibratie- en rotatietoestanden vertonen. Anderzijds, een groot aantal moleculen, bijv. water (H2O), een ongelijke verdeling van de elektrische lading bezitten. Moleculen met zo'n elektrisch dipoolmoment kunnen beïnvloed en dus afgeremd worden door elektrische velden.

Het MPQ-team heeft voornamelijk geëxperimenteerd met fluormethaan (CH3F) en gedeutereerde ammoniak (ND3). aanvankelijk, de moleculen hebben een temperatuur van ongeveer 200 Kelvin en een snelheid van enkele honderden meters per seconde. Als eerste stap, de moleculen thermaliseren met een helium- of neonbuffergas in de cryogene buffergascel en worden afgekoeld tot respectievelijk 6 Kelvin (helium) en 17 Kelvin (neon). Ze worden uit de cryogene omgeving gehaald door een gebogen elektrostatische quadrupoolgeleider. Wanneer ze de buffergascel verlaten, hun snelheid is teruggebracht tot 50 tot 100 meter per seconde. "Echter, het is niet alleen de snelheid die telt, " zegt dr. Martin Zeppenfeld, leider van het project. "Met betrekking tot de moleculaire botsingen die we willen observeren, is het cruciaal dat tijdens dit afkoelingsproces ook de interne toestanden worden gekoeld. We kunnen bewijzen dat er slechts zeer weinig en lage rotatie- en vibratietoestanden worden opgewekt."

Door een rechte geleider worden de moleculen overgebracht naar het tweede deel van het koelapparaat, de centrifugevertraging. "Door de geleidingsspanning op de rechte geleider te variëren, kunnen we de valdiepte en daarmee de moleculaire bundeldichtheden regelen, " legt Thomas Gantner uit, promovendus bij het experiment. "Hoe hoger de spanning, hoe hoger de bundeldichtheid. Dit soort controle is nodig om een ​​beter begrip te krijgen van de mechanismen achter de koude dipolaire botsingen die we gaan meten na het vertragingsproces."

Bij binnenkomst in de centrifuge, de moleculen planten zich eerst rond de omtrek voort in een stationaire opslagring met een diameter van 40 centimeter, bestaande uit twee statische en twee roterende elektroden. Vervolgens pakt een roterende elektrische vierpolige geleider de moleculen bijna op elk punt rond de opslagring op en duwt ze langs de spiraalvorm naar de rotatie-as. Dus, terwijl de elektrische velden ervoor zorgen dat de moleculen naar het midden van de schijf gaan, ze moeten constant de middelpuntvliedende kracht tegenwerken die wordt veroorzaakt door de vierpolige geleider die roteert met 30 Hertz, waardoor de moleculen continu worden vertraagd.

Een laatste rechte geleider brengt de moleculen naar een quadrupool massaspectrometer waar ze worden geanalyseerd op hun snelheid. "De moleculen brengen ongeveer 25 milliseconden door in de vierpolige gids, ", zegt Thomas Gantner. "Dit is genoeg tijd voor hen om te communiceren, en bij deze botsingen, moleculen gaan verloren. Uit de analyse blijkt dat de verliezen toenemen bij afnemende snelheden en toenemende bundeldichtheden. De evaluatie van de gegevens is voor een groot deel afhankelijk van modelberekeningen die zijn gedaan door Xing Wu, wie is de eerste auteur van dit werk en behaalde zijn doctoraat op dit experiment."

"De waarneming van koude moleculaire botsingen is een mijlpaal op het gebied van koude chemie, " benadrukt Dr. Zeppenfeld. "Het generieke principe dat aan de cryofuge ten grondslag ligt, maakt de toepassing ervan op een breed scala aan dipolaire verbindingen mogelijk. We voorzien de mogelijkheid dat in de toekomst chemische reacties met lange interactietijden kunnen worden gerealiseerd bij zeer lage temperaturen."

Verder, de cryofuge zou het scala aan onderzoeksonderwerpen dat experimenten met koude moleculen bieden, kunnen uitbreiden. Bijvoorbeeld, de koude en langzame straal geproduceerde methanol zou bij uitstek geschikt kunnen zijn voor het meten van variaties in de proton-tot-elektron-massaverhouding. Volgens theoretische voorspellingen zouden deze kunnen worden veroorzaakt door interactie met donkere materie. De cryofuge zou ook kunnen dienen als een perfecte bron voor lopende experimenten met laser-koelbare diatomische moleculen. Anderzijds, de langeafstands- en anisotrope dipoolkoppeling medieert interacties over micrometerafstanden. Dit maakt koude polaire moleculen bijzonder geschikt voor toepassingen in kwantumsimulatie of kwantumcomputing. "De allereerste waarneming van botsingen in een koud gas van natuurlijk voorkomende moleculen brengt ons dichter bij de droom van het bereiken van een complex kwantumgas zoals een Bose Einstein-condensaat van watermoleculen, " zegt prof. Gerhard Rempe.