Moleculaire botsingen
Ammoniak is een eenvoudig maar belangrijk molecuul, vooral in de astrofysica. Toch was het tot nu toe een grote uitdaging om deze botsingen in detail te bestuderen. Dit vereist namelijk extreem nauwkeurige controle over de moleculen vóór de botsing en zeer precieze metingen erná. “Bij deze lage temperaturen gedragen moleculen zich niet zoals we gewend zijn, ze volgen de vreemde regels van de kwantummechanica”, legt dr. Stach Kuijpers uit. “Door hun botsingen te bestuderen, kunnen we meer leren over deze kwantumeffecten.”
Scherpere beelden
Het team gebruikte een speciale machine, een zogenaamde Stark-afremmer, om de ammoniakmoleculen te controleren voordat ze op de waterstofmoleculen botsten. Na de botsing gebruikten ze lasers en camera’s om foto’s te maken van wat er gebeurde. Deze foto’s, ‘botsingsplaatjes’ genoemd, laten zien hoe het ammoniak zich na de botsing verplaatst en geven een inkijkje in zijn kwantumgedrag. Eerdere pogingen om dit met ammoniak te doen, verliepen niet goed: de lasers voegden te veel energie toe, waardoor de beelden onscherp werden. Kuijpers en zijn team vonden echter een nieuwe manier om het ammoniak te detecteren, en maakten zo de eerste scherpe beelden van hoe het verstrooit na een botsing.
Kwantum effecten
Door foto’s te maken bij verschillende botsingsenergieën zag het team duidelijke aanwijzingen van ‘botsingsresonanties’. Dit is een bijzonder effect dat alleen voorkomt in de kwantumwereld. “Het is alsof de deeltjes tijdens de botsing even aan elkaar blijven plakken, waardoor de kans op een botsing sterk toeneemt en het botsingsplaatje drastisch verandert”, legt Kuijpers uit. Om deze effecten beter te begrijpen, werkten de onderzoekers samen met theoretici die nieuwe, geavanceerde computermodellen ontwikkelden. Alleen deze uiterst nauwkeurige modellen kwamen overeen met de experimenten. Dat laat zien dat dit een zeer gevoelige methode is om de interacties tussen moleculen te onderzoeken.
Botsingen sturen met elektrische velden
Ammoniak is niet alleen belangrijk in de ruimte, maar ook nuttig in experimenten op aarde omdat het een sterk elektrisch dipoolmoment heeft. Dit betekent dat ammoniak kan worden beïnvloed door elektrische velden. “Een van onze doelen is om te sturen hoe moleculen botsen door elektrische velden toe te passen”, zegt Kuijpers. “Met deze nieuwe techniek zijn we daar een stap dichterbij.” De resultaten kunnen wetenschappers helpen de kwantumwereld te verkennen en het gedrag van moleculen onder extreme omstandigheden te begrijpen, met toekomstige toepassingen in de natuurkunde, scheikunde en het ruimteonderzoek.
