Kollisionsexperiment ger medel för en detaljerad förståelse av molekylära interaktioner på individuell partikelnivå. Teoretiska och experimentella fysiker inom Institute for Molecules and Materials har publicerat en uppsats i Vetenskap där de fullt ut karakteriserar molekylära kollisioner vid temperaturer nära absolut noll.

"Den avslöjar grundläggande lagar för kvantmekanik som styr de inre funktionerna av molekylära kollisioner, "säger forskarna Tim de Jongh och Matthieu Besemer.

Vid låga temperaturer, kvantmekanikens regler dikterar att molekyler beter sig vågliknande. I sådana fall liknar en molekylär kollision mer en vattenvåg som slår mot en sten än en kollision mellan biljardbollar. En följd av detta vågliknande beteende hos molekylerna vid en kollision är förekomsten av resonanser. Vid specifika kollisionsenergier bildar de kolliderande molekylerna ett långlivat komplex, en så kallad resonans, innan de flyger isär. Vid dessa specifika energier skiljer sig spridningsbeteendet starkt från det vid närliggande energier, eftersom molekylerna håller ihop under en längre tid och interaktionerna mellan dem har en mycket starkare effekt på resultatet av kollisionen.

Interaktionerna mellan molekyler kan uttryckas kvantitativt i form av en "interaktionspotential". Kvantmekanik erbjuder möjligheten att få sådana interaktionspotentialer från avancerade "ab initio" -beräkningar och, senare, att använda dem i "kvantspridning" -beräkningar som förutsäger resultatet av kollisionsexperiment. När resultaten överensstämmer med experimentella data, det bekräftas att ab initio -beräkningarna är korrekta. Tidigare samarbeten mellan experimentgruppen för Prof. Bas van de Meerakker och den teoretiska gruppen av professor Gerrit Groenenboom har visat att detta är ett mycket användbart verktyg för att få en detaljerad och korrekt förståelse av interaktionerna mellan molekyler.

Låg energi kollisioner

I de experiment som beskrivs i Science -dokumentet kunde forskarna upptäcka resonanser vid kollisioner vid temperaturer strax över den absoluta nollan. "Vid dessa extremt låga temperaturer förbättras detaljen vid vilken vi kan observera interaktionen mellan molekyler kraftigt på grund av förekomsten av resonanser och vi kan använda detta för att känsligt testa ab initio -beräkningarna, "Tim de Jongh, Ph.D. forskare i gruppen Spectroscopy of Cold Molecules av Bas van de Meerakker, förklarar.

Dock, de experimentella resultaten matchade inte de teoretiskt beräknade resultaten. "Interaktionspotentialer beräknade med den metod som allmänt är känd för att vara den" gyllene standarden "var tillräckligt korrekta för att återge alla tidigare experimentella data. Men för dessa mätningar var vi tvungna att förlänga beräkningen av interaktionspotentialen utöver standardteorin, "Matthieu Besemer, Ph.D. forskare i Gerrit Groenenbooms teoretiska kemigrupp, förtydligar. Utmaningarna härrör från svårigheten att noggrant beskriva interaktionerna mellan det stora antalet elektroner som finns i molekylkomplexet. Genom att använda ab initio -beräkningar bortom den gyllene standarden, "överensstämmelse mellan experiment och teori erhölls." Synergin mellan de två disciplinerna och grupperna tillät oss att nå enighet, och för att öka vår förståelse för hur kvantmekanik styr molekylära interaktioner, "Besemer och De Jongh tillägger.

Het kontrollerar kollisioner

Forskarna har visat att genom att reducera interaktionerna till sina mest elementära former kan de minsta effekterna observeras. "Vid dessa låga temperaturer, molekylära interaktioner blir mottagliga för yttre påverkan såsom elektriska fält. I sista hand, detta betyder att vi kommer att kunna ställa in och till och med kontrollera kollisioner med hjälp av externa fält. "Detta skapar möjligheter att inte bara sondera molekylära kollisioner med högsta möjliga detalj utan också manipulera kollisioner med högsta grad av kontroll.