Kolde molekyler på kollisionskurs

Hvordan forløber kemiske reaktioner ved ekstremt lave temperaturer? Svaret kræver undersøgelse af molekylære prøver, der er kolde, tæt, og langsom på samme tid. Forskere omkring Dr. Martin Zeppenfeld fra Quantum Dynamics Division af Prof. Gerhard Rempe ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har nu taget et vigtigt skridt i denne retning ved at udvikle en ny kølemetode:den såkaldte "cryofuge" kombinerer kryogen buffer-gas-køling med en speciel slags centrifuge, hvor roterende elektriske felter decelererer de forkølede molekyler ned til hastigheder på under 20 meter i sekundet.

På grund af de høje fluxtætheder, der blev opnået, lykkedes det holdet at observere kollisioner mellem de kolde molekyler. For to kemiske forbindelser med et stærkt elektrisk dipolmoment, kollisionssandsynligheden såvel som dens afhængighed af hastighed og fluxtæthed blev derved bestemt ( Videnskab , 13. oktober 2017). Den nye teknik er en milepæl for det nye felt af kold kemi og kan åbne perspektivet mod at kontrollere og manipulere kemiske veje ved ekstremt lave temperaturer.

Produktionen af ​​kolde molekyler har vist sig at være en stor udfordring:laserkøling – en meget effektiv metode til atomer – virker generelt ikke for molekyler, fordi de udviser vibrations- og rotationstilstande ud over de elektroniske tilstande. På den anden side, et stort antal molekyler, f.eks. vand (H2O), har en ujævn elektrisk ladningsfordeling. Molekyler med et sådant elektrisk dipolmoment kan påvirkes og dermed decelereres af elektriske felter.

MPQ-holdet har for det meste eksperimenteret med fluormethan (CH3F) og deutereret ammoniak (ND3). I første omgang, molekylerne har en temperatur på omkring 200 Kelvin og en hastighed på flere hundrede meter i sekundet. Som et første skridt, molekylerne termaliseres med en helium- eller neonbuffergas i den kryogene buffergascelle og køles ned til henholdsvis 6 Kelvin (helium) og 17 Kelvin (neon). De udvindes fra det kryogene miljø af en bøjet elektrostatisk quadrupol guide. Når de forlader buffer-gascellen, deres hastighed er blevet reduceret til 50 til 100 meter i sekundet. "Imidlertid, det er ikke kun hastigheden, der betyder noget, " siger Dr. Martin Zeppenfeld, leder af projektet. "Med hensyn til de molekylære kollisioner, som vi sigter efter at observere, er det afgørende, at under denne afkølingsproces også de indre tilstande bliver afkølet. Vi kan bevise, at kun meget få og lave rotations- og vibrationstilstande er exciterede."

Ved en lige føring overføres molekylerne til den anden del af køleanordningen, centrifuge-deceleratoren. "Ved at variere styrespændingen på den lige guide kan vi kontrollere fældedybden og dermed molekylstråletætheden, " forklarer Thomas Gantner, ph.d.-kandidat ved forsøget. "Jo højere spænding, jo højere stråletæthed. Denne form for kontrol er nødvendig for at få en bedre forståelse af mekanismerne bag de kolde dipolære kollisioner, som vi skal måle efter decelerationsprocessen."

Ind i centrifugen, molekylerne forplanter sig først rundt i periferien i en stationær lagerring med en diameter på 40 centimeter sammensat af to statiske og to roterende elektroder. Derefter opfanger en roterende elektrisk quadrupol guide molekylerne næsten på ethvert punkt omkring lagerringen og skubber dem langs dens spiralform mod rotationsaksen. Dermed, mens de elektriske felter får molekylerne til at bevæge sig ind i midten af ​​skiven, de skal konstant modvirke centrifugalkraften induceret af quadrupol guiden, der roterer med 30 Hertz, derved hele tiden bremse molekylerne ned.

En sidste lige guide bringer molekylerne til et quadrupol massespektrometer, hvor de analyseres med hensyn til deres hastighed. "Molekylerne bruger omkring 25 millisekunder inde i quadrupol guiden, " siger Thomas Gantner. "Dette er masser af tid for dem til at interagere, og i disse kollisioner, molekyler går tabt. Analysen afslører, at tabene stiger ved faldende hastigheder og stigende stråletætheder. Evalueringen af ​​dataene bygger i vid udstrækning på modelberegninger, som blev udført af Xing Wu, som er første forfatter til dette værk og opnåede sin doktorgrad på dette eksperiment."

"Observationen af ​​kolde molekylære kollisioner er en milepæl for området kold kemi, " understreger Dr. Zeppenfeld. "Det generiske princip, der ligger til grund for kryofugen, muliggør dens anvendelse på en lang række dipolære forbindelser. Vi forestiller os muligheden for, at kemiske reaktioner med lange interaktionstider i fremtiden kan realiseres ved meget lave temperaturer."

Desuden, kryofugen kunne udvide rækken af ​​forskningsemner, som eksperimenter med kolde molekyler tilbyder. For eksempel, den kolde og langsomme stråle af produceret methanol kunne være ideelt egnet til at måle variationer i proton-til-elektron-masseforholdet. Ifølge teoretiske forudsigelser kan disse være forårsaget af interaktion med mørkt stof. Kryofugen kunne også tjene som en perfekt kilde til igangværende eksperimenter med laserkølede diatomiske molekyler. På den anden side, den langtrækkende og anisotrope dipolkobling formidler interaktioner over mikrometerafstande. Dette gør kolde polære molekyler særligt velegnede til applikationer inden for kvantesimulering eller kvanteberegning. "Den allerførste observation af kollisioner i en kold gas af naturligt forekommende molekyler bringer os tættere på drømmen om at opnå en kompleks kvantegas, såsom et Bose Einstein-kondensat af vandmolekyler, " siger prof. Gerhard Rempe.