Botsingsexperimenten bieden de middelen voor een gedetailleerd begrip van moleculaire interacties op het niveau van individuele deeltjes. Theoretische en experimentele natuurkundigen binnen het Institute for Molecules and Materials hebben een paper gepubliceerd in Wetenschap waarin ze moleculaire botsingen bij temperaturen nabij het absolute nulpunt volledig karakteriseren.

"Het onthult fundamentele wetten van de kwantummechanica die de innerlijke werking van moleculaire botsingen beheersen, ', zeggen onderzoekers Tim de Jongh en Matthieu Besemer.

Bij lage temperaturen, de regels van de kwantummechanica dicteren dat moleculen zich golfachtig gedragen. In dergelijke gevallen lijkt een moleculaire botsing meer op een watergolf die op een rots botst dan op een botsing tussen biljartballen. Een gevolg van dit golfgedrag van de moleculen bij een botsing is het optreden van resonanties. Bij specifieke botsingsenergieën vormen de botsende moleculen een langlevend complex, een zogenaamde resonantie, voordat ze uit elkaar vliegen. Bij deze specifieke energieën wijkt het verstrooiingsgedrag sterk af van dat bij nabije energieën, omdat de moleculen langer bij elkaar blijven en de interacties tussen hen een veel sterker effect hebben op de uitkomst van de botsing.

De interacties tussen moleculen kunnen kwantitatief worden uitgedrukt in de vorm van een "interactiepotentiaal". Kwantummechanica biedt de mogelijkheid om dergelijke interactiepotentialen te verkrijgen uit geavanceerde "ab initio" berekeningen en, vervolgens, om ze te gebruiken in "kwantumverstrooiing"-berekeningen die de uitkomst van botsingsexperimenten voorspellen. Als de resultaten overeenkomen met de experimentele gegevens, het wordt bevestigd dat de ab initio-berekeningen nauwkeurig zijn. Eerdere samenwerkingen tussen de experimentele groep van prof. Bas van de Meerakker en de theoretische groep van prof. Gerrit Groenenboom hebben aangetoond dat dit een zeer nuttig instrument is om de interacties tussen moleculen gedetailleerd en nauwkeurig te begrijpen.

Lage energie botsingen

In de experimenten beschreven in het Science-paper konden de onderzoekers resonanties detecteren bij botsingen bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. "Bij deze extreem lage temperaturen wordt het detail waarmee we de interactie tussen moleculen kunnen waarnemen enorm verbeterd door de aanwezigheid van resonanties en we kunnen dit gebruiken om de ab initio-berekeningen gevoelig te testen, "Tim de Jongh, doctoraat onderzoeker in de groep Spectroscopie van Koude Moleculen van Bas van de Meerakker, verklaart.

Echter, de experimentele resultaten kwamen niet overeen met de theoretisch berekende resultaten. "Interactiepotentialen berekend met de methode die algemeen bekend staat als de 'gouden standaard' waren voldoende nauwkeurig om alle eerdere experimentele gegevens te reproduceren. Maar voor deze metingen moesten we de berekening van het interactiepotentieel uitbreiden tot buiten de standaardtheorie, "Matthieu Besemer, doctoraat onderzoeker bij de Theoretische Chemie Groep van Gerrit Groenenboom, verduidelijkt. De uitdagingen komen voort uit de moeilijkheid om de interacties tussen het grote aantal elektronen dat aanwezig is in het moleculaire complex nauwkeurig te beschrijven. Door ab initio berekeningen te gebruiken die verder gaan dan de 'gouden standaard, " overeenkomst tussen experiment en theorie werd verkregen. "De synergie tussen de twee disciplines en groepen stelde ons in staat om overeenstemming te bereiken, en om ons begrip te vergroten van hoe de kwantummechanica moleculaire interacties regelt, Besemer en De Jongh voegen eraan toe.

Het beheersen van botsingen

De onderzoekers hebben aangetoond dat door de interacties terug te brengen tot hun meest elementaire vormen, de kleinste effecten konden worden waargenomen. "Bij deze lage temperaturen moleculaire interacties worden vatbaar voor externe invloeden zoals elektrische velden. uiteindelijk, dit betekent dat we in staat zullen zijn om botsingen af ​​te stemmen en zelfs te beheersen met behulp van externe velden." Dit schept het vooruitzicht om niet alleen moleculaire botsingen met het hoogst mogelijke detail te onderzoeken, maar ook om botsingen met de hoogste mate van controle te manipuleren.