Come procedono le reazioni chimiche a temperature estremamente basse? La risposta richiede l'indagine su campioni molecolari freddi, denso, e lento allo stesso tempo. Gli scienziati del Dr. Martin Zeppenfeld della Quantum Dynamics Division del Prof. Gerhard Rempe presso il Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno ora compiuto un passo importante in questa direzione sviluppando un nuovo metodo di raffreddamento:le cosiddette "crifughe" combinano raffreddamento criogenico del gas tampone con un tipo speciale di centrifuga in cui campi elettrici rotanti decelerano le molecole preraffreddate fino a velocità inferiori a 20 metri al secondo.

A causa delle elevate densità di flusso raggiunte, il team è riuscito a osservare le collisioni tra le molecole fredde. Per due composti chimici con un momento di dipolo elettrico forte, è stata così determinata la probabilità di collisione e la sua dipendenza dalla velocità e dalla densità di flusso ( Scienza , 13 ottobre 2017). La nuova tecnica è una pietra miliare per il campo emergente della chimica del freddo e potrebbe aprire la prospettiva al controllo e alla manipolazione di percorsi chimici a temperature estremamente basse.

La produzione di molecole fredde si è rivelata una grande sfida:il raffreddamento laser – un metodo molto efficiente per gli atomi – in generale non funziona per le molecole perché mostrano stati vibrazionali e rotazionali oltre agli stati elettronici. D'altra parte, un gran numero di molecole, per esempio. acqua (H2O), possiedono una distribuzione di carica elettrica non uniforme. Molecole con un tale momento di dipolo elettrico possono essere influenzate e quindi decelerate da campi elettrici.

Il team MPQ ha principalmente sperimentato con fluorometano (CH3F) e ammoniaca deuterata (ND3). Inizialmente, le molecole hanno una temperatura di circa 200 Kelvin e una velocità di diverse centinaia di metri al secondo. Come primo passo, le molecole termalizzano con un gas tampone elio o neon nella cella criogenica gas tampone e vengono raffreddate rispettivamente a 6 Kelvin (elio) e 17 Kelvin (neon). Vengono estratti dall'ambiente criogenico da una guida quadrupolare elettrostatica piegata. Quando escono dalla cella a gas tampone, la loro velocità è stata ridotta da 50 a 100 metri al secondo. "Però, non è solo la velocità che conta, " dice il dottor Martin Zeppenfeld, capofila del progetto. "Per quanto riguarda le collisioni molecolari che intendiamo osservare, è fondamentale che durante questo processo di raffreddamento anche gli stati interni vengano raffreddati. Possiamo dimostrare che solo pochissimi e bassi stati rotazionali e vibrazionali sono eccitati".

Tramite una guida rettilinea le molecole vengono trasferite alla seconda parte del dispositivo di raffreddamento, il deceleratore della centrifuga. "Variando la tensione di guida sulla guida diritta possiamo controllare la profondità della trappola e quindi le densità del fascio molecolare, " spiega Thomas Gantner, dottorando all'esperimento. "Più alta è la tensione, maggiore è la densità del fascio. Questo tipo di controllo è necessario per comprendere meglio i meccanismi alla base delle collisioni dipolari fredde che misureremo dopo il processo di decelerazione".

Entrando nella centrifuga, le molecole si propagano dapprima attorno alla periferia in un anello di accumulo stazionario del diametro di 40 centimetri composto da due elettrodi statici e due rotanti. Quindi una guida quadrupolare elettrica rotante preleva le molecole quasi in qualsiasi punto attorno all'anello di accumulo e le spinge lungo la sua forma a spirale verso l'asse di rotazione. Così, mentre i campi elettrici fanno muovere le molecole al centro del disco, devono contrastare costantemente la forza centrifuga indotta dalla guida del quadrupolo che ruota a 30 Hertz, rallentando così continuamente le molecole.

Un'ultima guida diritta porta le molecole ad uno spettrometro di massa a quadrupolo dove vengono analizzate per quanto riguarda la loro velocità. "Le molecole trascorrono circa 25 millisecondi all'interno della guida del quadrupolo, " dice Thomas Gantner. "Questo è un sacco di tempo per loro per interagire, e in queste collisioni, le molecole si stanno perdendo. L'analisi rivela che le perdite aumentano al diminuire delle velocità e all'aumentare della densità del fascio. La valutazione dei dati si basa in larga misura sui calcoli del modello eseguiti da Xing Wu, che è il primo autore di questo lavoro e ha conseguito il dottorato in questo esperimento."

"L'osservazione delle collisioni molecolari fredde è una pietra miliare per il campo della chimica del freddo, " sottolinea il dott. Zeppenfeld. "Il principio generico alla base del criofago consente la sua applicazione a un'ampia gamma di composti dipolari. Prevediamo la possibilità che in futuro si possano realizzare reazioni chimiche con lunghi tempi di interazione a temperature molto basse".

Per di più, il cryofuge potrebbe ampliare la gamma di argomenti di ricerca offerti dagli esperimenti con le molecole fredde. Ad esempio, il raggio freddo e lento di metanolo prodotto potrebbe essere ideale per misurare le variazioni nel rapporto tra massa protone ed elettrone. Secondo le previsioni teoriche questi potrebbero essere causati dall'interazione con la materia oscura. Il cryofuge potrebbe anche servire come fonte perfetta per esperimenti in corso con molecole biatomiche raffreddabili al laser. D'altra parte, l'accoppiamento dipolo a lungo raggio e anisotropo media le interazioni su distanze micrometriche. Ciò rende le molecole polari fredde particolarmente adatte per applicazioni nella simulazione quantistica o nell'informatica quantistica. "La primissima osservazione di collisioni in un gas freddo di molecole naturali ci avvicina al sogno di realizzare un gas quantistico complesso come un condensato di Bose Einstein di molecole d'acqua, " dice il prof. Gerhard Rempe.