Slow motion botsingen van moleculen ontcijferd

Volgens de regels van de kwantummechanica gedraagt een molecuul zich vaak als een reeks golven. Wanneer een molecuul op een atoom botst, spelen heel veel verschillende golven een rol. Deze golven interfereren tijdens de botsing en kunnen bijvoorbeeld een diffractiepatroon vormen. Wetenschappers proberen al jaren de invloed van een enkele golf in een dergelijke botsing in kaart te brengen. Het is fundamenteel onmogelijk om experimenteel één golf te selecteren en de invloed van die ene golf op het botsingsproces te bestuderen. Bij lage temperaturen, als moleculen langzaam botsen, kan het onder speciale omstandigheden opeens wel: bij zogenoemde ‘botsingsresonanties’ krijgt één enkele golf opeens een dominerend karakter. In dat geval is precies na te gaan hoe een enkele golf vóór de botsing het golfkarakter van de deeltjes ná de botsing bepaalt. Dit is de essentie van een botsing op de meest fundamentele manier: hoe gaat de begintoestand van deeltjes over in een eindtoestand?

Resonerende botsing beïnvloedt de vervolgrichting

"Wij kunnen dit nu meten door de richtingsverandering van moleculen tijdens langzame botsingen te meten," zegt FOM-werkgroepleider Bas van de Meerakker, die onder meer een ERC Starting Grant kreeg in 2013. "Als de moleculen iets te snel of te langzaam botsen, zien we een normaal diffractiepatroon van golven. Maar als ze precies de juiste snelheid hebben en de resonantie raken, is de richtingsverandering opeens heel anders. Een resonantie kunnen we ons voorstellen als een botsing waarbij de deeltjes een tijdje om elkaar heen draaien voordat ze in een heel andere richting uit elkaar kunnen vliegen, terwijl de deeltjes bij een normale botsing meteen van richting veranderen en doorvliegen."

Deze metingen kloppen precies met kwantummechanische berekeningen van theoretisch chemici Gerrit Groenenboom en Ad van der Avoird, mede-auteurs van het artikel. Met behulp van hun theorie kunnen de onderzoekers nu precies achterhalen welke golven een rol spelen bij een botsingsresonantie en wat de invloed van deze golven is op de richtingsverandering van de moleculen.

In het Cold and Controlled Collisions laboratorium op de Radboud Universiteit staat een Stark-afremmer, waarmee de onderzoekers de snelheid van de moleculen voor de botsing precies kunnen controleren. Na de botsing meten de onderzoekers de richtingsverandering van de moleculen nauwkeurig met de velocity map imaging-methode. Deze combinatie van technieken is alleen op de Radboud Universiteit beschikbaar. Dit unieke experiment maakte het voor het eerst mogelijk om deze richtingsveranderingen van moleculen bij een botsingsresonantie te zien.

Kwantum voor kinderen

Van de Meerakker heeft in september een Radboud Science Award ontvangen. Deze prijs wordt uitgereikt aan de drie beste, belangrijkste en boeiendste wetenschappelijke onderzoeksresultaten van de Radboud Universiteit en het Radboudumc van het afgelopen jaar. Het Wetenschapsknooppunt Radboud Universiteit organiseert de uitreiking. De winnaars van de awards krijgen de kans om hun onderzoek te vertalen naar activiteiten voor kinderen uit groep 7 en 8 van het basisonderwijs. Van de Meerakker zal de kinderen met hulp van experimentjes wegwijs maken in de wonderen van de kwantummechanica, waaronder het golfkarakter van materie.

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door geld uit de FOM-Projectruimte. Onderzoekers Sjoerd Vogels en Simon Chefdeville zijn in dienst bij FOM. Mede-auteur Jolijn Onvlee won vorig jaar de Posterprijs tijdens Physics@FOM Veldhoven 2015 voor haar poster over dit onderzoek. 

Imaging resonances in low-energy NO-He inelastic collisions, Sjoerd N. Vogels, Jolijn Onvlee, Simon Chefdeville, Ad van der Avoird, Gerrit C. Groenenboom, Sebastiaan Y.T. van de Meerakker, Science, 13 november 2015.