Wanneer moleculen interageren met vaste oppervlakken, een heel scala aan dynamische processen kan plaatsvinden. Deze zijn van enorm belang in de context van katalytische reacties, bijv. de omzetting van aardgas in waterstof waarmee vervolgens schone elektriciteit kan worden opgewekt.

specifiek, de interactie van methaanmoleculen met katalysatoroppervlak zoals nikkel is van belang als we het proces op moleculair niveau gedetailleerd en zinvol willen begrijpen. Maar het bestuderen van de verstrooiingsdynamiek van polyatomaire moleculen zoals methaan was een uitdaging omdat de huidige detectietechnieken niet in staat zijn om alle kwantumtoestanden van de verstrooide moleculen op te lossen.

Het laboratorium van Rainer Beck bij EPFL heeft nu voor het eerst nieuwe infraroodlasertechnieken gebruikt om methaanverstrooiing op een nikkeloppervlak te bestuderen met volledige kwantumtoestandsresolutie. Quantum-state opgeloste technieken hebben veel bijgedragen aan ons begrip van oppervlakteverstrooiingsdynamiek, maar de innovatie hier was dat het EPFL-team dergelijke studies kon uitbreiden naar methaan door infraroodlasers te combineren met een cryogene bolometer:een zeer gevoelige warmtedetector die wordt gekoeld tot 1,8 K die de kinetische en interne energie van de binnenkomende methaanmoleculen kan opvangen.

In hun experimenten, een krachtige infraroodlaser pompt eerst de invallende methaanmoleculen in een enkele geselecteerde, vibratie-geëxciteerde kwantumtoestand. Een tweede laser in combinatie met de bolometer wordt vervolgens gebruikt om de kwantumtoestandsverdeling van de verstrooide moleculen te analyseren. Met deze aanpak, observeerden de wetenschappers, Voor de eerste keer, een zeer efficiënt mechanisme voor herverdeling van vibratie-energie tijdens oppervlakteverstrooiing.

Met de gegevens van het onderzoek kunnen de modernste kwantumtheorieën voor molecuul/oppervlakteverstrooiing streng worden getest. In de tussentijd, de nieuwe lasertechnologie die in dit werk is geïntroduceerd, is breed toepasbaar en kan worden gebruikt om vele andere polyatomaire molecuul/oppervlaktesystemen met ongekend detail te bestuderen.