¿Cómo proceden las reacciones químicas a temperaturas extremadamente bajas? La respuesta requiere la investigación de muestras moleculares frías, denso, y lento al mismo tiempo. Los científicos que rodean al Dr. Martin Zeppenfeld de la División de Dinámica Cuántica del Prof. Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching han dado ahora un paso importante en esta dirección al desarrollar un nuevo método de enfriamiento:el llamado "criófuga" combina Enfriamiento criogénico con gas tampón con un tipo especial de centrífuga en la que los campos eléctricos giratorios desaceleran las moléculas preenfriadas a velocidades inferiores a 20 metros por segundo.

Debido a las altas densidades de flujo que se alcanzaron, el equipo logró observar colisiones entre las moléculas frías. Para dos compuestos químicos con un fuerte momento dipolar eléctrico, De este modo se determinó la probabilidad de colisión, así como su dependencia de la velocidad y la densidad de flujo ( Ciencias , 13 de octubre de 2017). La nueva técnica es un hito para el campo emergente de la química del frío y podría abrir la perspectiva para controlar y manipular las vías químicas a temperaturas extremadamente bajas.

La producción de moléculas frías ha demostrado ser un gran desafío:el enfriamiento por láser, un método muy eficiente para los átomos, en general no funciona para las moléculas porque exhiben estados vibratorios y rotacionales además de los estados electrónicos. Por otra parte, una gran cantidad de moléculas, p.ej. agua (H2O), Poseen una distribución desigual de la carga eléctrica. Las moléculas con un momento dipolar eléctrico de este tipo pueden verse influenciadas y, por lo tanto, desaceleradas por campos eléctricos.

El equipo de MPQ ha experimentado principalmente con fluorometano (CH3F) y amoníaco deuterado (ND3). Inicialmente, las moléculas tienen una temperatura de alrededor de 200 Kelvin y una velocidad de varios cientos de metros por segundo. Como primer paso, las moléculas se termalizan con un gas tampón de helio o neón en la celda de gas tampón criogénico y se enfrían a 6 Kelvin (helio) y 17 Kelvin (neón) respectivamente. Se extraen del entorno criogénico mediante una guía cuadrupolo electrostática doblada. Cuando salen de la celda de gas tampón, su velocidad se ha reducido de 50 a 100 metros por segundo. "Sin embargo, no es solo la velocidad lo que importa, "dice el Dr. Martin Zeppenfeld, líder del proyecto. "Con respecto a las colisiones moleculares que pretendemos observar, es crucial que durante este proceso de enfriamiento también se enfríen los estados internos. Podemos demostrar que solo se excitan muy pocos estados de rotación y vibración bajos".

Mediante una guía recta, las moléculas se transfieren a la segunda parte del dispositivo de enfriamiento, el desacelerador de la centrífuga. "Al variar el voltaje de guía en la guía recta, podemos controlar la profundidad de la trampa y, por lo tanto, las densidades del haz molecular, "explica Thomas Gantner, candidato a doctorado en el experimento. "Cuanto mayor sea el voltaje, cuanto mayor sea la densidad del haz. Este tipo de control es necesario para comprender mejor los mecanismos detrás de las colisiones dipolares frías que vamos a medir después del proceso de desaceleración ".

Entrando en la centrífuga, las moléculas se propagan primero alrededor de la periferia en un anillo de almacenamiento estacionario con un diámetro de 40 centímetros compuesto por dos electrodos estáticos y dos giratorios. Luego, una guía cuadrupolo eléctrica giratoria recoge las moléculas casi en cualquier punto alrededor del anillo de almacenamiento y las empuja a lo largo de su forma de espiral hacia el eje de rotación. Por lo tanto, mientras que los campos eléctricos hacen que las moléculas se muevan hacia el centro del disco, constantemente tienen que contrarrestar la fuerza centrífuga inducida por la guía cuadrupolo que gira a 30 Hertz, por lo tanto, ralentiza continuamente las moléculas.

Una guía recta final lleva las moléculas a un espectrómetro de masas cuadrupolo donde se analizan con respecto a su velocidad. "Las moléculas pasan unos 25 milisegundos dentro de la guía cuadrupolo, ", dice Thomas Gantner." Es tiempo de sobra para que interactúen, y en estas colisiones, se están perdiendo moléculas. El análisis revela que las pérdidas aumentan a medida que disminuyen las velocidades y aumentan las densidades del haz. La evaluación de los datos se basa en gran medida en los cálculos del modelo que realizó Xing Wu, quien es el primer autor de este trabajo y obtuvo su doctorado en este experimento ".

"La observación de colisiones moleculares frías es un hito para el campo de la química fría, "enfatiza el Dr. Zeppenfeld." El principio genérico que subyace a la criófuga permite su aplicación a una amplia gama de compuestos dipolares. Prevemos la posibilidad de que en el futuro se puedan realizar reacciones químicas con tiempos de interacción prolongados a temperaturas muy bajas ".

Es más, la criófuga podría ampliar la gama de temas de investigación que ofrecen los experimentos con moléculas frías. Por ejemplo, el haz frío y lento de metanol producido podría ser ideal para medir variaciones en la relación de masa protón-electrón. Según las predicciones teóricas, esto podría deberse a la interacción con la materia oscura. La criófuga también podría servir como una fuente perfecta para experimentos en curso con moléculas diatómicas enfriables por láser. Por otra parte, el acoplamiento dipolo anisotrópico y de largo alcance media interacciones sobre distancias micrométricas. Esto hace que las moléculas polares frías sean particularmente adecuadas para aplicaciones en simulación cuántica o computación cuántica. "La primera observación de colisiones en un gas frío de moléculas naturales nos acerca al sueño de lograr un gas cuántico complejo como un condensado de moléculas de agua de Bose Einstein, "dice el profesor Gerhard Rempe.