Kollisionseksperimenter til forståelse af molekylære interaktioner på det enkelte partikelniveau

Kollisionseksperimenter giver midlerne til en detaljeret forståelse af molekylære interaktioner på det individuelle partikelniveau. Teoretiske og eksperimentelle fysikere fra Institut for Molekuler og Materialer har udgivet en artikel i Videnskab hvor de fuldt ud karakteriserer molekylære kollisioner ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt.

"Det afslører grundlæggende kvantemekaniske love, der styrer den indre funktion af molekylære kollisioner, " siger forskerne Tim de Jongh og Matthieu Besemer.

Ved lave temperaturer, kvantemekanikkens regler dikterer, at molekyler opfører sig bølgeagtigt. I sådanne tilfælde er en molekylær kollision mere beslægtet med en vandbølge, der rammer en sten, end med en kollision mellem billardkugler. En konsekvens af denne bølgelignende adfærd af molekylerne i en kollision er forekomsten af ​​resonanser. Ved specifikke kollisionsenergier danner de kolliderende molekyler et langlivet kompleks, en såkaldt resonans, før de flyver fra hinanden. Ved disse specifikke energier adskiller spredningsadfærden sig stærkt fra den ved nærliggende energier, da molekylerne holder sammen i længere tid, og vekselvirkningerne mellem dem har en meget stærkere effekt på udfaldet af sammenstødet.

Interaktionerne mellem molekyler kan udtrykkes kvantitativt i form af et "interaktionspotentiale". Kvantemekanik giver mulighed for at opnå sådanne interaktionspotentialer fra avancerede "ab initio" beregninger og, efterfølgende, at bruge dem i "kvantespredning"-beregninger, der forudsiger resultatet af kollisionseksperimenter. Når resultaterne stemmer overens med de eksperimentelle data, det bekræftes, at ab initio-beregningerne er nøjagtige. Tidligere samarbejder mellem den eksperimentelle gruppe af prof. Bas van de Meerakker og den teoretiske gruppe af prof. Gerrit Groenenboom har vist, at dette er et meget nyttigt værktøj til at få en detaljeret og præcis forståelse af interaktionerne mellem molekyler.

Lavenergikollisioner

I eksperimenterne beskrevet i Science-papiret var forskerne i stand til at detektere resonanser i kollisioner ved temperaturer lige over det absolutte nulpunkt. "Ved disse ekstremt lave temperaturer er detaljen, hvormed vi kan observere interaktionen mellem molekyler, stærkt forbedret på grund af tilstedeværelsen af ​​resonanser, og vi kan bruge dette til følsomt at teste ab initio-beregningerne, "Tim de Jongh, Ph.D. forsker i Spectroscopy of Cold Molecules-gruppen af ​​Bas van de Meerakker, forklarer.

Imidlertid, de eksperimentelle resultater stemte ikke overens med de teoretisk beregnede resultater. "Interaktionspotentialer beregnet med den metode, der generelt er kendt for at være 'den gyldne standard', var tilstrækkelig nøjagtige til at gengive alle tidligere eksperimentelle data. Men til disse målinger var vi nødt til at udvide beregningen af ​​interaktionspotentialet ud over standardteorien, "Matthieu Besemer, Ph.D. forsker i Theoretical Chemistry Group af Gerrit Groenenboom, præciserer. Udfordringerne stammer fra vanskeligheden ved præcist at beskrive vekselvirkningerne mellem det store antal elektroner, der er til stede i det molekylære kompleks. Ved at bruge ab initio-beregninger ud over den gyldne standard, " overensstemmelse mellem eksperiment og teori blev opnået. "Synergien mellem de to discipliner og grupper gjorde det muligt for os at opnå enighed, og for at forbedre vores forståelse af, hvordan kvantemekanik styrer molekylære interaktioner, " tilføjer Besemer og De Jongh.

Det kontrollerende kollisioner

Forskerne har vist, at ved at reducere interaktionerne til deres mest elementære former kunne de mindste virkninger observeres. "Ved disse lave temperaturer, molekylære interaktioner bliver modtagelige for ydre påvirkninger såsom elektriske felter. Ultimativt, det betyder, at vi vil være i stand til at tune og endda kontrollere kollisioner ved hjælp af eksterne felter." Dette skaber udsigten til ikke kun at sondere molekylære kollisioner med de højest mulige detaljer, men også manipulere kollisioner med den højeste grad af kontrol.