¿Cómo proceden las reacciones químicas a temperaturas extremadamente bajas? La respuesta requiere la investigación de muestras moleculares que son frías, densas y lentas al mismo tiempo. Científicos alrededor del Dr. Martin Zeppenfeld de la División de Dinámica Cuántica del Prof. Gerhard Rempe enEl Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching ha dado un paso importante en esta dirección mediante el desarrollo de un nuevo método de enfriamiento: el llamado "cryofuge" combina el enfriamiento criogénico de gas tampón con un tipo especial de centrífuga en la que los campos eléctricos giratorios se desaceleranlas moléculas preenfriadas a velocidades de menos de 20 metros por segundo. Debido a las altas densidades de flujo que se alcanzaron, el equipo logró observar colisiones entre las moléculas frías. Para dos compuestos químicos con un fuerte momento dipolar eléctrico, la probabilidad de colisión tambiénya que su dependencia de la velocidad y la densidad de flujo se determinó Ciencia, 13 de octubre de 2017 . La nueva técnica es un hito para el campo emergente de la química del frío y podría abrir la perspectiva para controlar y manipular las rutas químicas a temperaturas extremadamente bajas.
La producción de moléculas frías ha demostrado ser un gran desafío: el enfriamiento por láser, un método muy eficiente para los átomos, en general no funciona para las moléculas porque exhiben estados vibratorios y rotacionales además de los estados electrónicos.Por otro lado, una gran cantidad de moléculas, por ejemplo, agua H 2 O, posee una distribución de carga eléctrica desigual.Las moléculas con tal momento dipolar eléctrico pueden verse influenciadas y, por lo tanto, desaceleradas por los campos eléctricos.
El equipo de MPQ ha experimentado principalmente con fluorometano CH 3 F y amoníaco deuterado ND 3 .Inicialmente, las moléculas tienen una temperatura de alrededor de 200 Kelvin y una velocidad de varios cientos de metros por segundo.Como primer paso, las moléculas se termalizan con un gas tampón de helio o neón en la celda de gas tampón criogénico y se enfrían a 6 Kelvin helio y 17 Kelvin neón respectivamente.Se extraen del entorno criogénico mediante una guía cuadrupolo electrostática doblada.Cuando salen de la celda de gas de amortiguación, su velocidad se ha reducido a 50 a 100 metros por segundo."Sin embargo, lo importante no es solo la velocidad", enfatiza el Dr. Martin Zeppenfeld, líder del proyecto."Con respecto a las colisiones moleculares que pretendemos observar, es crucial que durante este proceso de enfriamiento también se enfríen los estados internos. Podemos probar que solo se excitan muy pocos y bajos estados de rotación y vibración".
Mediante una guía recta, las moléculas se transfieren a la segunda parte del dispositivo de enfriamiento, el decelerador centrífugo. "Variando el voltaje guía en la guía recta podemos controlar la profundidad de la trampa y, por lo tanto, las densidades del haz molecular", explica Thomas Gantner,candidato doctoral en el experimento. "Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la densidad del haz. Este tipo de control es necesario para comprender mejor los mecanismos detrás de las colisiones dipolares frías que vamos a medir después del proceso de desaceleración."
Al ingresar a la centrífuga, las moléculas se propagan primero alrededor de la periferia en un anillo de almacenamiento estacionario con un diámetro de 40 centímetros compuesto por dos electrodos estáticos y dos rotativos. Luego, una guía de cuadrupolo eléctrico giratorio recoge las moléculas casi en cualquier punto alrededor del almacenamientoanillo y los empuja a lo largo de su forma de espiral hacia el eje de rotación. Por lo tanto, mientras los campos eléctricos hacen que las moléculas se muevan hacia el centro del disco, constantemente tienen que contrarrestar la fuerza centrífuga inducida por la guía cuadrupolo que gira a 30 Hertz, por lo tantoralentizando continuamente las moléculas.
Una guía recta final lleva las moléculas a un espectrómetro de masas cuadrupolo donde se analizan con respecto a su velocidad. "Las moléculas pasan unos 25 milisegundos dentro de la guía cuadrupolo", dice Thomas Gantner. "Esto es tiempo suficiente para que interactúen,y en estas colisiones, las moléculas se pierden. El análisis revela que las pérdidas aumentan por velocidades decrecientes y densidades de haz crecientes. La evaluación de los datos se basa en gran medida en los cálculos del modelo realizados por Xing Wu, quien es el primer autor deeste trabajo y logró su doctorado en este experimento "
"La observación de colisiones moleculares en frío es un hito para el campo de la química en frío", enfatiza el Dr. Zeppenfeld. "El principio genérico que subyace en el crioguge permite su aplicación en una amplia gama de compuestos dipolares. Visualizamos la posibilidad de que en elfuturas reacciones químicas con largos tiempos de interacción se pueden realizar a temperaturas muy bajas ".
Además, el cryofuge podría ampliar el rango de temas de investigación que ofrecen los experimentos con moléculas frías. Por ejemplo, el rayo frío y lento de metanol producido podría ser ideal para medir variaciones en la relación de masa protón a electrón. De acuerdo conLas predicciones teóricas podrían ser causadas por la interacción con la materia oscura. El cryofuge también podría servir como una fuente perfecta para los experimentos en curso con moléculas diatómicas refrigerables por láser. Por otro lado, el acoplamiento dipolar anisotrópico y de largo alcance media interacciones a través de distancias micrométricas.Esto hace que las moléculas polares frías sean particularmente adecuadas para aplicaciones en simulación cuántica o computación cuántica ". La primera observación de colisiones en un gas frío de moléculas naturales nos acerca al sueño de lograr un gas cuántico complejo como un condensado de Bose Einstein demoléculas de agua ", dice el profesor Gerhard Rempe. Olivia Meyer-Fuerza
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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