Les expériences de collision fournissent les moyens d'une compréhension détaillée des interactions moléculaires au niveau des particules individuelles. Des physiciens théoriques et expérimentaux de l'Institute for Molecules and Materials ont publié un article dans Science dans lequel ils caractérisent pleinement les collisions moléculaires à des températures proches du zéro absolu.

"Il révèle les lois fondamentales de la mécanique quantique qui régissent le fonctionnement interne des collisions moléculaires, ", disent les chercheurs Tim de Jongh et Matthieu Besemer.

A basse température, les règles de la mécanique quantique dictent que les molécules se comportent comme des vagues. Dans de tels cas, une collision moléculaire s'apparente plus à une vague d'eau frappant un rocher qu'à une collision entre des boules de billard. Une conséquence de ce comportement ondulatoire des molécules lors d'une collision est l'apparition de résonances. À des énergies de collision spécifiques, les molécules en collision forment un complexe à longue durée de vie, une soi-disant résonance, avant qu'ils ne s'envolent. A ces énergies spécifiques, le comportement de diffusion diffère fortement de celui aux énergies proches, car les molécules restent ensemble plus longtemps et les interactions entre elles ont un effet beaucoup plus fort sur l'issue de la collision.

Les interactions entre molécules peuvent être exprimées quantitativement sous la forme d'un "potentiel d'interaction". La mécanique quantique offre la possibilité d'obtenir de tels potentiels d'interaction à partir de calculs avancés "ab initio" et, ensuite, de les utiliser dans des calculs de "diffusion quantique" qui prédisent le résultat d'expériences de collision. Lorsque les résultats sont en accord avec les données expérimentales, il est confirmé que les calculs ab initio sont exacts. Des collaborations antérieures entre le groupe expérimental du Prof. Bas van de Meerakker et le groupe théorique du Prof. Gerrit Groenenboom ont démontré qu'il s'agit d'un outil très utile pour obtenir une compréhension détaillée et précise des interactions entre les molécules.

Collisions à basse énergie

Dans les expériences décrites dans l'article de Science, les chercheurs ont pu détecter des résonances lors de collisions à des températures juste au-dessus du zéro absolu. "A ces températures extrêmement basses, le détail auquel nous pouvons observer l'interaction entre les molécules est considérablement amélioré en raison de la présence de résonances et nous pouvons l'utiliser pour tester avec sensibilité les calculs ab initio, " Tim de Jongh, doctorat chercheur dans le groupe Spectroscopie des molécules froides de Bas van de Meerakker, explique.

Cependant, les résultats expérimentaux ne correspondaient pas aux résultats calculés théoriquement. « Les potentiels d'interaction calculés avec la méthode généralement connue pour être le « golden standard » étaient suffisamment précis pour reproduire toutes les données expérimentales précédentes. Mais pour ces mesures, nous avons dû étendre le calcul du potentiel d'interaction au-delà de la théorie standard, " Matthieu Besemer, doctorat chercheur dans le groupe de chimie théorique de Gerrit Groenenboom, clarifie. Les défis découlent de la difficulté à décrire avec précision les interactions entre le grand nombre d'électrons présents dans le complexe moléculaire. En utilisant des calculs ab initio au-delà du "golden standard", " un accord entre l'expérience et la théorie a été obtenu. " La synergie entre les deux disciplines et groupes nous a permis d'obtenir un accord, et pour améliorer notre compréhension de la façon dont la mécanique quantique régit les interactions moléculaires, " ajoutent Besemer et De Jongh.

Het contrôler les collisions

Les chercheurs ont montré qu'en réduisant les interactions à leurs formes les plus élémentaires, les effets les plus infimes pouvaient être observés. "A ces basses températures, les interactions moléculaires deviennent sensibles aux influences externes telles que les champs électriques. Finalement, cela signifie que nous pourrons régler et même contrôler les collisions à l'aide de champs externes. » Cela crée la perspective non seulement de sonder les collisions moléculaires avec le plus de détails possible, mais aussi de manipuler les collisions avec le plus haut degré de contrôle.