Nowe metody odsłaniają prawdziwą kwantową naturę zderzeń cząsteczek
Choć zderzające się cząsteczki mogą podlegać reakcji chemicznej, częściej tylko przekazują sobie energię, w wyniku czego obracają się nieco szybciej lub poruszają nieco wolniej. To pozornie proste zdarzenie odgrywa kluczową rolę w zadziwiająco dużej liczbie różnorodnych procesów: powstawaniu gwiazd i planet, spalaniu, bilansie cieplnym atmosfery, a nawet procesach zachodzących w niektórych komputerach kwantowych. Mamy już dużą wiedzę o takich zderzeniach przy wysokich energiach. Zderzenia niskoenergetyczne to jednak zupełnie inna sprawa: tylko mechanika kwantowa pozwala na opisanie zachodzącego w ich przypadku procesu rozpraszania. Brakowało odpowiednich metod ich badania, aż do momentu, gdy w ramach projektu MOLBIL (Molecular Billiards in Slow Motion) powstał sposób umożliwiający zobrazowanie prawdziwej kwantowej natury zderzeń cząsteczek. Prof. dr Sebastiaan van de Meerakker wraz z zespołem opracował metody pozwalające na całkowitą kontrolę ruchu cząsteczek przed zderzeniem, aby móc uzyskać zderzenie w bardzo dobrze określonych warunkach. Taka kontrola pozwala na wykonanie powiększonego zdjęcia procesu, ujawniającego mechanizmy zderzenia, które w przeciwnym razie pozostałyby ukryte. „Pierwszym zadaniem jest dokładna kontrola prędkości cząsteczek, tak aby uzyskać wynik, który będziemy mogli łatwiej interpretować", mówi prof. dr van de Meerakker, koordynator MOLBIL. „To trochę jak w przypadku producenta samochodów przeprowadzającego test zderzeniowy: nie dowiemy się zbyt wiele na podstawie oględzin wraku, jeśli nie będziemy wiedzieli, jak szybko pojazd poruszał się w momencie kolizji”. „Spowalniacz Starka”, który kontroluje prędkość, jest tym, co decyduje o wyjątkowości rezultatów projektu MOLBIL. Prof. dr van de Meerakker wyjaśnia: „Możemy nie tylko kontrolować bezwzględną prędkość cząsteczek, ale także prędkość rozprzestrzeniania się zespołu cząsteczek, które biorą udział w procesie zderzenia. Pierwszy z tych aspektów jest ważny dla kontroli lub skanowania energii zderzeń, a drugi dla skanowania energii zderzeń w wysokiej rozdzielczości (niepewność energii zderzeń)”. Metoda ta pozwoliła zespołowi na obserwację zjawisk rozpraszania, które zostały przewidziane teoretycznie kilkadziesiąt lat temu, ale nie były jeszcze obserwowane eksperymentalnie. Należą do nich kwantowe oscylacje dyfrakcyjne, niskoenergetyczne rezonanse rozpraszające lub korelacje produkt-para. Ponieważ spowalniacz Starka działa tylko w przypadku cząsteczek „elektrycznych” (posiadających moment dipolowy), a nie magnetycznych, zespół użył również spowalniacza Zeemana. „Za pomocą zestawu elektromagnesów możemy uzyskać pełną kontrolę nad cząsteczkami magnetycznymi, co pozwala nam na badanie całej nowej grupy atomów i cząsteczek. Spowalniacze Zeemana są znane od dawna, ale opracowaliśmy nową koncepcję, która jest szczególnie zoptymalizowana pod kątem eksperymentów w zderzeniach cząsteczek”, mówi prof. dr van de Meerakker. Podsumowując, wyniki badań MOLBIL dostarczają danych, które podważają dotychczasowe przekonania teoretyków próbujących rozwiązać równania mechaniki kwantowej. Choć nie doprowadzi to w najbliższym czasie do powstania produktów gotowych do wprowadzenia na rynek, prof. dr van de Meerakker jest przekonany, że wnioski z projektu przyniosą korzyści wielu różnym dziedzinom nauki, takim jak badania nad gazami kwantowymi, astrofizyka czy meteorologia. I choć projekt został już zakończony, prof. dr van de Meerakker zamierza kontynuować swoje badania. „Energie zderzeń, które udało nam się dotychczas uzyskać, odpowiadają zderzeniom pomiędzy cząsteczkami znajdującymi się w gazie w temperaturze około 10 kelwinów (i więcej). To już jest bardzo niska energia, ale teraz mamy plan modyfikacji urządzenia, dzięki której uzyskamy jeszcze niższe temperatury. Choć różnica może wydawać się niewielka, w rzeczywistości ma bardzo istotne implikacje”, podsumowuje prof. dr van de Meerakker.
Słowa kluczowe
MOLBIL, zderzenia cząsteczek, cząsteczki, niska energia, mechanika kwantowa
