Quando le molecole interagiscono con superfici solide, può aver luogo tutta una serie di processi dinamici. Questi sono di enorme interesse nel contesto delle reazioni catalitiche, per esempio. la conversione del gas naturale in idrogeno che può poi essere utilizzato per generare elettricità pulita.

Nello specifico, l'interazione delle molecole di metano con la superficie del catalizzatore come il nichel è di interesse se vogliamo ottenere una comprensione dettagliata e significativa del processo a livello molecolare. Ma studiare le dinamiche di dispersione delle molecole poliatomiche come il metano è stato impegnativo perché le attuali tecniche di rilevamento non sono in grado di risolvere tutti gli stati quantistici delle molecole disperse.

Il laboratorio di Rainer Beck presso l'EPFL ha ora utilizzato nuove tecniche laser a infrarossi per studiare per la prima volta la diffusione del metano su una superficie di nichel con la piena risoluzione dello stato quantico. Le tecniche di risoluzione dello stato quantistico hanno contribuito molto alla nostra comprensione delle dinamiche di diffusione superficiale, ma l'innovazione qui è stata che il team dell'EPFL è stato in grado di estendere tali studi al metano combinando laser a infrarossi con un bolometro criogenico:un rilevatore di calore altamente sensibile raffreddato a 1,8 K che può raccogliere l'energia cinetica e interna delle molecole di metano in arrivo.

Nei loro esperimenti, un potente laser a infrarossi pompa prima le molecole di metano incidenti in un singolo selezionato, stato quantistico vibrazionalmente eccitato. Un secondo laser combinato con il bolometro viene quindi utilizzato per analizzare la distribuzione dello stato quantistico delle molecole disperse. Con questo approccio, gli scienziati hanno osservato, per la prima volta, un meccanismo altamente efficiente per la ridistribuzione dell'energia vibrazionale durante la diffusione superficiale.

I dati dello studio consentiranno di testare rigorosamente le teorie quantistiche all'avanguardia per la diffusione di molecole/superfici. Nel frattempo, la nuova tecnica di marcatura laser introdotta in questo lavoro è ampiamente applicabile e può essere utilizzata per studiare molti altri sistemi molecola/superficie poliatomici con dettagli senza precedenti.