Comment se déroulent les réactions chimiques à des températures extrêmement basses ? La réponse passe par l'étude d'échantillons moléculaires froids, dense, et lent à la fois. Les scientifiques autour du Dr Martin Zeppenfeld de la division de dynamique quantique du professeur Gerhard Rempe à l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching ont maintenant franchi une étape importante dans cette direction en développant une nouvelle méthode de refroidissement :la soi-disant "cryofuge" combine refroidissement cryogénique par gaz tampon avec un type spécial de centrifugeuse dans laquelle des champs électriques rotatifs décélèrent les molécules pré-refroidies jusqu'à des vitesses inférieures à 20 mètres par seconde.

En raison des densités de flux élevées atteintes, l'équipe a réussi à observer des collisions entre les molécules froides. Pour deux composés chimiques à fort moment dipolaire électrique, la probabilité de collision ainsi que sa dépendance vis-à-vis de la vitesse et de la densité de flux ont ainsi été déterminées ( Science , 13 octobre 2017). La nouvelle technique est une étape importante pour le domaine émergent de la chimie du froid et pourrait ouvrir la voie au contrôle et à la manipulation des voies chimiques à des températures extrêmement basses.

La production de molécules froides s'est avérée être un grand défi :le refroidissement laser - une méthode très efficace pour les atomes - ne fonctionne en général pas pour les molécules car elles présentent des états vibrationnels et rotationnels en plus des états électroniques. D'autre part, un grand nombre de molécules, par exemple. eau (H2O), possèdent une distribution de charge électrique inégale. Les molécules avec un tel moment dipolaire électrique peuvent être influencées et donc ralenties par des champs électriques.

L'équipe du MPQ a principalement expérimenté le fluorométhane (CH3F) et l'ammoniac deutéré (ND3). Initialement, les molécules ont une température d'environ 200 Kelvin et une vitesse de plusieurs centaines de mètres par seconde. Dans un premier temps, les molécules se thermalisent avec un gaz tampon d'hélium ou de néon dans la cellule de gaz tampon cryogénique et se refroidissent à 6 Kelvin (hélium) et 17 Kelvin (néon) respectivement. Ils sont extraits du milieu cryogénique par un guide quadripolaire électrostatique coudé. A leur sortie de la cellule de gaz tampon, leur vitesse a été réduite à 50 à 100 mètres par seconde. "Toutefois, il n'y a pas que la vitesse qui compte, " dit le Dr Martin Zeppenfeld, chef de projet. "En ce qui concerne les collisions moléculaires que nous visons à observer, il est crucial que, pendant ce processus de refroidissement, les états internes soient également refroidis. Nous pouvons prouver que seuls très peu d'états de rotation et de vibration sont excités."

Par un guidage rectiligne les molécules sont transférées vers la seconde partie du dispositif de refroidissement, le décélérateur de la centrifugeuse. "En faisant varier la tension de guidage sur le guide droit, nous pouvons contrôler la profondeur du piège et donc les densités de faisceau moléculaire, " explique Thomas Gantner, doctorant à l'expérimentation. "Plus la tension est élevée, plus la densité du faisceau est élevée. Ce type de contrôle est nécessaire afin de mieux comprendre les mécanismes derrière les collisions dipolaires froides que nous allons mesurer après le processus de décélération."

En entrant dans la centrifugeuse, les molécules se propagent d'abord en périphérie dans un anneau de stockage fixe de 40 centimètres de diamètre composé de deux électrodes statiques et de deux électrodes tournantes. Ensuite, un guide quadripolaire électrique rotatif capte les molécules presque en tout point autour de l'anneau de stockage et les pousse le long de sa forme en spirale vers l'axe de rotation. Ainsi, tandis que les champs électriques font bouger les molécules au centre du disque, ils doivent constamment contrer la force centrifuge induite par le guide quadripolaire qui tourne à 30 Hertz, ralentissant ainsi continuellement les molécules.

Un dernier guide rectiligne amène les molécules à un spectromètre de masse quadripolaire où elles sont analysées en fonction de leur vitesse. "Les molécules passent environ 25 millisecondes à l'intérieur du guide quadripolaire, " dit Thomas Gantner. " C'est beaucoup de temps pour eux d'interagir, et dans ces collisions, des molécules se perdent. L'analyse révèle que les pertes augmentent pour des vitesses décroissantes et des densités de faisceau croissantes. L'évaluation des données repose dans une large mesure sur des calculs de modèle qui ont été effectués par Xing Wu, qui est le premier auteur de ce travail et a obtenu son doctorat sur cette expérience."

"L'observation des collisions moléculaires froides est une étape importante pour le domaine de la chimie froide, " souligne le Dr Zeppenfeld. " Le principe générique qui sous-tend la cryofugeuse permet son application à une large gamme de composés dipolaires. Nous envisageons la possibilité qu'à l'avenir des réactions chimiques avec de longs temps d'interaction puissent être réalisées à des températures très basses."

Par ailleurs, la cryofuge pourrait étendre la gamme des sujets de recherche qu'offrent les expériences avec des molécules froides. Par exemple, le faisceau froid et lent de méthanol produit pourrait être idéal pour mesurer les variations du rapport de masse proton/électron. Selon les prédictions théoriques, celles-ci pourraient être causées par une interaction avec la matière noire. La cryofuge pourrait également servir de source parfaite pour les expériences en cours avec des molécules diatomiques refroidies par laser. D'autre part, le couplage dipolaire à longue distance et anisotrope médie les interactions sur des distances micrométriques. Cela rend les molécules polaires froides particulièrement adaptées aux applications en simulation quantique ou en informatique quantique. "La toute première observation de collisions dans un gaz froid de molécules naturelles nous rapproche du rêve de réaliser un gaz quantique complexe tel qu'un condensat de molécules d'eau de Bose Einstein, " dit le Pr Gerhard Rempe.