När molekyler interagerar med fasta ytor, en hel rad dynamiska processer kan äga rum. Dessa är av enormt intresse i samband med katalytiska reaktioner, t.ex. omvandlingen av naturgas till väte som sedan kan användas för att generera ren el.

Specifikt, samspelet mellan metanmolekyler och katalysatorytor som nickel är av intresse om vi ska få en detaljerad och meningsfull förståelse av processen på molekylär nivå. Men att studera spridningsdynamik för polyatomiska molekyler som metan har varit utmanande eftersom nuvarande detekteringstekniker inte kan lösa alla kvanttillstånd för de spridda molekylerna.

Rainer Becks laboratorium vid EPFL har nu använt nya infraröda lasertekniker för att studera metanspridning på en nickelyta för första gången med full kvant-tillståndsupplösning. Kvanttillståndsupplösta tekniker har bidragit mycket till vår förståelse av ytspridningsdynamik, men innovationen här var att EPFL -teamet kunde utvidga sådana studier till metan genom att kombinera infraröda lasrar med en kryogen bolometer:en mycket känslig värmedetektor som kyldes till 1,8 K som kan ta upp den kinetiska och inre energin hos de inkommande metanmolekylerna.

I deras experiment, en kraftfull infraröd laser pumpar först de infallande metanmolekylerna till en enda utvald, vibrationellt upphetsat kvanttillstånd. En andra laser kombinerad med bolometern används sedan för att analysera kvanttillståndsfördelningen av de spridda molekylerna. Med detta tillvägagångssätt, forskarna observerade, för första gången, en mycket effektiv mekanism för vibrationsenergidistribution under ytspridning.

Data från studien kommer att göra det möjligt att testa de senaste kvantteorierna för molekyl-/ytspridning strikt. Under tiden, den nya lasermärkningstekniken som introduceras i detta arbete är allmänt tillämplig och kan användas för att studera många andra polyatomiska molekyl-/ytsystem med aldrig tidigare skådade detaljer.