Hur går kemiska reaktioner fram vid extremt låga temperaturer? Svaret kräver undersökning av kalla molekylprover, tät, och långsam samtidigt. Forskare runt Dr. Martin Zeppenfeld från Quantum Dynamics Division hos professor Gerhard Rempe vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har nu tagit ett viktigt steg i denna riktning genom att utveckla en ny kylmetod:de så kallade "cryofuge" -tröskorna kryogen buffertgaskylning med en speciell typ av centrifug i vilken roterande elektriska fält saktar ner de förkylda molekylerna till hastigheter på mindre än 20 meter per sekund.

På grund av de höga flödestätheten som uppnåddes lyckades teamet observera kollisioner mellan de kalla molekylerna. För två kemiska föreningar med ett starkt elektriskt dipolmoment, Kollisionssannolikheten samt dess beroende av hastighet och flödestäthet bestämdes därmed ( Vetenskap , 13 oktober 2017). Den nya tekniken är en milstolpe för det växande området för kall kemi och kan öppna perspektivet mot att kontrollera och manipulera kemiska vägar vid extremt låga temperaturer.

Produktionen av kalla molekyler har visat sig vara en stor utmaning:laserkylning-en mycket effektiv metod för atomer-fungerar i allmänhet inte för molekyler eftersom de uppvisar vibrations- och rotationstillstånd utöver de elektroniska tillstånden. Å andra sidan, ett stort antal molekyler, t.ex. vatten (H2O), har en ojämn elektrisk laddningsfördelning. Molekyler med ett sådant elektriskt dipolmoment kan påverkas och därmed bromsas av elektriska fält.

MPQ -teamet har mestadels experimenterat med fluorometan (CH3F) och deutererad ammoniak (ND3). Initialt, molekylerna har en temperatur på cirka 200 Kelvin och en hastighet på flera hundra meter per sekund. Som ett första steg, molekylerna värmer med ett helium- eller neonbuffertgas i den kryogena buffertgascellen och kyls ner till 6 Kelvin (helium) respektive 17 Kelvin (neon). De extraheras från den kryogena miljön med en böjd elektrostatisk fyrpolig guide. När de lämnar buffertgascellen, deras hastighet har sänkts till 50 till 100 meter per sekund. "Dock, det är inte bara hastigheten som spelar roll, "säger Dr Martin Zeppenfeld, projektledare. "När det gäller de molekylära kollisioner som vi strävar efter att observera är det avgörande att under denna kylningsprocess kyls också de inre tillstånden. Vi kan bevisa att endast mycket få och låga rotations- och vibrationstillstånd är upphetsade."

Genom en rak guide överförs molekylerna till den andra delen av kylanordningen, centrifugbromsaren. "Genom att variera styrspänningen på den raka guiden kan vi styra fälldjupet och därmed molekylära stråltätheten, "förklarar Thomas Gantner, doktorand vid experimentet. "Ju högre spänning, ju högre stråltäthet. Denna typ av kontroll är nödvändig för att få en bättre förståelse av mekanismerna bakom de kalla dipolära kollisionerna som vi ska mäta efter inbromsningsprocessen. "

In i centrifugen, molekylerna förökas först runt periferin i en stationär lagringsring med en diameter på 40 centimeter bestående av två statiska och två roterande elektroder. Sedan plockar en roterande elektrisk fyrpolig guide upp molekylerna nästan när som helst runt lagringsringen och skjuter dem längs sin spiralform mot rotationsaxeln. Således, medan de elektriska fälten får molekylerna att flytta in i mitten av skivan, de måste ständigt motverka den centrifugalkraft som induceras av fyrpolsguiden som roterar vid 30 Hertz, därigenom sakta ner molekylerna.

En sista rak guide tar molekylerna till en fyrpolig masspektrometer där de analyseras med avseende på deras hastighet. "Molekylerna spenderar cirka 25 millisekunder inuti fyrpolsguiden, "säger Thomas Gantner." Det här är gott om tid för dem att interagera, och i dessa kollisioner, molekyler går förlorade. Analysen avslöjar att förlusterna ökar för minskande hastigheter och ökande stråltäthet. Utvärderingen av data bygger i stor utsträckning på modellberäkningar som gjordes av Xing Wu, som är första författare till detta arbete och uppnådde sin doktorsexamen på detta experiment. "

"Observationen av kalla molekylära kollisioner är en milstolpe för kallkemi, "understryker Dr Zeppenfeld." Den generiska principen som ligger bakom kryofugen gör det möjligt att applicera den på ett brett spektrum av dipolära föreningar. Vi ser för oss möjligheten att kemiska reaktioner med långa interaktionstider i framtiden kan realiseras vid mycket låga temperaturer. "

Vidare, kryofugen kan utöka utbudet av forskningsämnen som experiment med kalla molekyler erbjuder. Till exempel, den kalla och långsamma metanolstrålen som produceras kan vara idealisk för att mäta variationer i proton-till-elektronmassförhållandet. Enligt teoretiska förutsägelser kan dessa orsakas av interaktion med mörk materia. Kryofugen kan också fungera som en perfekt källa för pågående experiment med laserkylda diatomiska molekyler. Å andra sidan, den långväga och anisotropa dipolkopplingen förmedlar interaktioner över mikrometersträckor. Detta gör kalla polära molekyler särskilt lämpliga för tillämpningar inom kvantsimulering eller kvantberäkning. "Den allra första observationen av kollisioner i en kall gas av naturligt förekommande molekyler för oss närmare drömmen om att uppnå en komplex kvantgas som ett Bose Einstein -kondensat av vattenmolekyler, "säger professor Gerhard Rempe.