Infrarøde lasere afslører hidtil usete detaljer i overfladespredning af metan

Når molekyler interagerer med faste overflader, en hel række dynamiske processer kan finde sted. Disse er af enorm interesse i forbindelse med katalytiske reaktioner, f.eks. omdannelse af naturgas til brint, der derefter kan bruges til at generere ren elektricitet.

Specifikt, interaktionen mellem metanmolekyler og katalysatoroverflade som nikkel er af interesse, hvis vi skal få en detaljeret og meningsfuld forståelse af processen på et molekylært niveau. Men at studere spredningsdynamikken for polyatomiske molekyler som metan har været udfordrende, fordi nuværende detektionsteknikker ikke er i stand til at løse alle de spredte molekylers kvantetilstande.

Rainer Becks laboratorium ved EPFL har nu brugt nye infrarøde laserteknikker til at studere metanspredning på en nikkeloverflade for første gang med fuld kvantetilstandsopløsning. Kvantestatsløste teknikker har bidraget meget til vores forståelse af overfladespredningsdynamik, men innovationen her var, at EPFL -teamet var i stand til at udvide sådanne undersøgelser til metan ved at kombinere infrarøde lasere med et kryogent bolometer:en meget følsom varmedetektor afkølet til 1,8 K, der kan opfange kinetisk og intern energi fra de indgående metanmolekyler.

I deres eksperimenter, en kraftig infrarød laser pumper først de indfaldende metanmolekyler i en enkelt udvalgt, vibrationelt ophidset kvantetilstand. En anden laser kombineret med bolometeret bruges derefter til at analysere kvantetilstandsfordelingen af ​​de spredte molekyler. Med denne tilgang, forskerne observerede, for første gang, en yderst effektiv mekanisme til omfordeling af vibrationsenergi under overfladespredning.

Dataene fra undersøgelsen vil gøre det muligt at teste state-of-the-art kvanteteorier om molekyl/overfladespredning. I mellemtiden, den nye lasermærkningsteknik, der blev introduceret i dette arbejde, er bredt anvendelig og kan bruges til at studere mange andre polyatomiske molekyle/overfladesystemer med enestående detaljer.