Slow botsen

afgeremde moleculen tonen dat theorie klopt
Slow botsen
Fysici houden ervan om
kleine deeltjes te laten
botsen bij hoge energie.
Het helpt hen om de
deeltjes te doorgronden.
Nu is het ook gelukt om
moleculen te laten botsen
in slow motion.
Margriet van der Heijden
DRIE DINGEN MAKEN de Starkafremmer in Berlijn speciaal. In dit apparaat worden deeltjes nu eens niet versneld, zoals in zoveel experimenten gebeurt, maar vertraagd. De deeltjes in
kwestie zijn relatief groot en elektrisch
neutraal. En hun eindsnelheid kan heel
nauwkeurig worden gekozen.
Deze week is te lezen (Science, 15 september) wat dat oplevert. Onderzoekers beschrijven hoe ze afgeremde moleculen
voor het eerst heel gecontroleerd op andere neutrale deeltjes hebben laten botsen. Die botsingen in slow motion verliepen precies zoals de theorie voorspeld
had en dat levert een unieke methode
om moleculen op een fundamenteel niveau te onderzoeken.
“Net als bij andere botsproeven geeft
een vergelijking van de toestand voor en
na de botsingen informatie over het inwendige van de deeltjes”, zegt Gerard
Meijer, die als expert op het gebied van
koude (ofwel uiterst trage) moleculen al
jaren naar dit soort proeven toewerkt.
“In dit geval kan de extra energie die de
moleculen bij de botsing mee krijgen,
ze laten draaien of trillen. De regels van
de quantummechanica bepalen in welke mate dat gebeurt en of het gebeurt.”
Zo kunnen de onderzoekers via de voorzichtige botsingen de complexe quantumwereld in de moleculen bestuderen.
Meijer is sinds 2003 directeur van één
van de befaamde Max Planck-instituten
in Berlijn, het Fritz Haber Instituut, en
·
het onderzoek gebeurde in zijn groep.
Opvallend genoeg hebben alle auteurs
de Nederlandse nationaliteit ofschoon
vier van hen in Berlijn werken. Zelfs de
Stark-afremmer reisde vanuit Nederland naar Berlijn.
Het apparaat werd tussen 2000 en 2003
in elkaar gezet bij het FOM-instituut in
Rijnhuizen waar Meijer toen directeur
was. De technici polijstten destijds de
stalen staafjes in de ruim één meter lange afremmer super glad. “Dat moet”,
zegt Meijer, “omdat je doorslag wilt
voorkomen als er hoogspanning op
wordt gezet.”
De werking van de afremmer berust namelijk, net als bij een deeltjesversneller,
op het tijdig aan- en uitschakelen van
sterke elektrische velden. In een deeltjesversneller krijgen de voorbijkomende elektrisch geladen deeltjes zo telkens
een schop vooruit. “En het aangrijpingspunt daarbij is de elektrische lading van de deeltjes”, zegt Meijer.
In de afremmer zorgen de elektrische
Stark-afremmer
reisde vanuit
Nederland
naar Berlijn
velden juist voor tegenwind. Een zwakke tegenwind, omdat de neutrale moleculen per definitie geen lading dragen,
en het dus veel lastiger is om er greep op
te krijgen. “Maar in sommige moleculen is de elektrische lading asymmetrisch verdeeld”, legt Meijer uit. “En
dankzij die eigenschap kunnen we ze
met elektrische velden toch stapsgewijs
en heel nauwkeurig afremmen.”
De kracht waarmee dat gebeurt is zo’n
miljard keer kleiner dan de voortstuwende kracht in een deeltjesversneller,
maar groot genoeg om moleculen die
met 500 meter per seconde de afremmer
instromen tot een meer dan tien keer
kleinere snelheid te vertragen.
In de proeven werden OH-moleculen
gebruikt, die uit een zuurstof- en een
waterstofatoom bestaan. Ze werden tot
verschillende snelheden tussen de 600
en 30 meter per seconde vertraagd, en
daarna in botsing gebracht met atomen
van xenon, een edelgas dat amper met
andere stoffen reageert.
“OH-moleculen spelen een belangrijke
rol in de atmosfeer”, zegt Meijer, “maar
dat was in deze proeven van ondergeschikt belang. We wilden nu vooral aantonen dat de methode werkt. Dat we
neutrale deeltjes kunnen laten botsen
dus, en dat we de botsingsenergie – de
snelheid van de botsende deeltjes ten
opzichte van elkaar – nauwkeurig kunnen afstemmen.”
weg open De draaiingen en trillingen
die dat opleverde, bleken mooi in overeenstemming met de ingewikkelde berekeningen die Gerrit Groenenboom,
theoretisch chemicus in Nijmegen speciaal had uitgevoerd om de methode te
toetsen. Daarmee ligt de weg open naar
nieuwe experimenten met ingewikkelder moleculen. En naar proeven waarin
het verloop van reacties tussen koude
moleculen onderzocht kan worden.
Voor scheikundigen zijn de huidige
proeven met xenon nog te fundamenteel om ze als ‘chemie’ aan te duiden,
denkt Meijer. Maar als het in een volgende stap lukt om OH-moleculen op
OH-moleculen te laten botsen, dan zullen ook zij warmlopen, verwacht hij.
“Dan kunnen chemische reacties optreden en met deze ‘koude’ botsingen kunnen we de kleine quantummechanische
invloeden op zulke reacties bestuderen,” zegt Meijer. “En ook voor het atmosferisch onderzoek kunnen die proeven misschien interessant zijn, omdat
ook in de atmosfeer OH-moleculen op
OH-moleculen botsen.”
Of die volgende stap weer een Nederlandse aangelegenheid wordt? “Ik vind
het heel leuk om Nederlanders hier in
mijn lab te hebben,” zegt Meijer. Maar
van een definitieve brain drain is volgens
hem geen sprake. “Het is een beetje toeval en ze zijn wel van plan om naar Nederland terug te keren.”
Hoogspanning op de staafjes in de Stark-afremmer zorgt voor elektrische velden die deeltjes afremmen.
Alex Poelman, FOM.