Gli esperimenti di collisione forniscono i mezzi per una comprensione dettagliata delle interazioni molecolari a livello delle singole particelle. Fisici teorici e sperimentali all'interno dell'Istituto per le molecole e i materiali hanno pubblicato un articolo in Scienza in cui caratterizzano completamente le collisioni molecolari a temperature prossime allo zero assoluto.

"Rivela le leggi fondamentali della meccanica quantistica che governano il funzionamento interno delle collisioni molecolari, " affermano i ricercatori Tim de Jongh e Matthieu Besemer.

A basse temperature, le regole della meccanica quantistica impongono che le molecole si comportino come un'onda. In tali casi una collisione molecolare è più simile a un'onda d'acqua che colpisce una roccia che a una collisione tra palle da biliardo. Una conseguenza di questo comportamento ondulatorio delle molecole in una collisione è il verificarsi di risonanze. A specifiche energie di collisione le molecole in collisione formano un complesso di lunga durata, una cosiddetta risonanza, prima che volino a pezzi. A queste energie specifiche il comportamento di dispersione differisce fortemente da quello a energie vicine, poiché le molecole stanno insieme più a lungo e le interazioni tra di loro hanno un effetto molto più forte sull'esito della collisione.

Le interazioni tra le molecole possono essere espresse quantitativamente sotto forma di un "potenziale di interazione". La meccanica quantistica offre la possibilità di ottenere tali potenziali di interazione da calcoli avanzati "ab initio" e, successivamente, utilizzarli nei calcoli di "scattering quantistico" che predicono l'esito degli esperimenti di collisione. Quando i risultati concordano con i dati sperimentali, si conferma che i calcoli ab initio sono accurati. Precedenti collaborazioni tra il gruppo sperimentale del Prof. Bas van de Meerakker e il gruppo teorico del Prof. Gerrit Groenenboom hanno dimostrato che questo è uno strumento molto utile per ottenere una comprensione dettagliata e accurata delle interazioni tra molecole.

Collisioni a bassa energia

Negli esperimenti descritti nell'articolo di Science i ricercatori sono stati in grado di rilevare le risonanze nelle collisioni a temperature appena sopra lo zero assoluto. "A queste temperature estremamente basse il dettaglio a cui possiamo osservare l'interazione tra le molecole è notevolmente migliorato a causa della presenza di risonanze e possiamo usarlo per testare sensibilmente i calcoli ab initio, "Tim de Jongh, dottorato di ricerca ricercatore nel gruppo Spettroscopia delle molecole fredde di Bas van de Meerakker, spiega.

Però, i risultati sperimentali non corrispondevano ai risultati calcolati teoricamente. "I potenziali di interazione calcolati con il metodo generalmente noto per essere il 'golden standard' erano sufficientemente accurati da riprodurre tutti i dati sperimentali precedenti. Ma per queste misurazioni abbiamo dovuto estendere il calcolo del potenziale di interazione oltre la teoria standard, "Matteo Besemer, dottorato di ricerca ricercatore nel gruppo di chimica teorica di Gerrit Groenenboom, chiarisce. Le sfide derivano dalla difficoltà di descrivere accuratamente le interazioni tra il gran numero di elettroni presenti nel complesso molecolare. Utilizzando calcoli ab initio oltre il "golden standard", " Si è ottenuto un accordo tra esperimento e teoria. "La sinergia tra le due discipline e i gruppi ha permesso di ottenere un accordo, e per migliorare la nostra comprensione di come la meccanica quantistica governa le interazioni molecolari, "Aggiungono Besemer e De Jongh.

Het controllare le collisioni

I ricercatori hanno dimostrato che riducendo le interazioni alle loro forme più elementari si potevano osservare gli effetti più minuti. "A queste basse temperature, le interazioni molecolari diventano suscettibili di influenze esterne come i campi elettrici. In definitiva, questo significa che saremo in grado di mettere a punto e persino controllare le collisioni utilizzando campi esterni." Questo crea la prospettiva non solo di sondare le collisioni molecolari con il massimo dettaglio possibile, ma anche di manipolare le collisioni con il massimo grado di controllo.