Usare gli ioni per trovare le molecole

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Disegno della collisione studiata tra uno ione Yb e un Li Molecola di Feshbach, risultante in uno ione molecolare LiYb+. Lo sfondo mostra una vista dell’esperimento ibrido ione-atomo dell’Università di Amsterdam. Credito: Università di Amsterdam

Quando pensiamo agli ioni, di solito pensiamo a singoli atomi che hanno perso o guadagnato alcuni elettroni, ma anche intere molecole possono diventare ioni. In una nuova pubblicazione che è stata evidenziata come Suggerimento dell’editore in Lettere di revisione fisica Questa settimana, i fisici dell’Università di Amsterdam, QuSoft e Stony Brook University, hanno dimostrato che gli ioni molecolari freddi possono essere creati utilizzando un nuovo metodo e che sono uno strumento molto utile per rilevare piccole quantità di altre molecole regolari.

Ioni intrappolati

Uno ione è un atomo o una molecola con un eccesso o una carenza di elettroni. Essendo particelle cariche, gli ioni possono essere ‘intrappolati’ dai campi elettromagnetici: è facile mantenerli in una posizione fissa. Gli ioni intrappolati costituiscono una piattaforma promettente per il calcolo quantistico. La ragione di ciò è che possono essere conservati a lungo e che i moderni laser consentono ai fisici di controllare i singoli ioni in modo molto preciso. Queste proprietà rendono anche gli ioni intrappolati in candidati ideali per studiare le reazioni chimiche, specialmente quando sono immersi in un bagno di atomi o molecole regolari.

In molti esperimenti di fisica, è utile studiare particelle estremamente fredde, semplicemente perché le particelle fredde si muovono più lentamente e vibrano meno, quindi c’è meno “rumore” nell’esperimento. Finora, gli studi sulla molecola ionica si sono limitati a molecole fredde con temperature intorno a 1 kelvin (cioè un grado sopra la temperatura dello zero assoluto), ma l’esperimento ibrido ione-atomo dell’Università di Amsterdam ora utilizza molecole con temperature solo di pochi milionesimi di kelvin, studiando le collisioni ione-molecola più fredde del mondo.

I fisici guidati da Rene Gerritsma dell’UvA-Institute of Physics e QuSoft in collaborazione con Arghavan Safavi-Naini (UvA/QuSoft) e Jesus Pérez-Ríos (Stony Brook University), hanno misurato lo ione molecolare creato in una reazione chimica in cui le molecole di litio ( li) e ioni di itterbio atomico (Yb+) si trasformano in atomi di litio (Li) e ioni di litio-itterbio molecolari (LiYb+). Sono stati in grado di utilizzare questa reazione chimica per rilevare quantità molto piccole di molecole. I loro risultati sono stati pubblicati questa settimana sulla rivista Physical Review Letters.

Gas ultrafreddi

Oltre ai loro numerosi altri usi, come il loro uso in orologi estremamente precisi e simulazioni quantistiche di sistemi a molti corpi, i gas ultrafreddi possono anche essere usati per creare molecole fredde. Usando una tecnica chiamata magneto-associazione, i cosiddetti dimeri di Feshbach possono essere creati da un gas ultrafreddo, molecole fredde quanto il gas da cui provengono le loro parti. Combinando queste molecole con un singolo ione intrappolato, i fisici IoP Henrik Hirzler, Rianne Lous ed Eleanor Trimby hanno osservato per la prima volta reazioni chimiche ione-molecola con molecole ultrafredde.

I ricercatori hanno osservato che le collisioni tra un singolo ione e un dimero di Feshbach hanno portato alla formazione dello ione molecolare sopra menzionato, dove uno degli atomi delle molecole si attacca allo ione. Osservando la fluorescenza dello ione, la formazione dello ione molecolare può essere osservata vedendo la fluorescenza oscurarsi, risultato del fatto che lo ione molecolare ha livelli di energia diversi da quelli dello ione atomico. La presenza dello ione molecolare è stata confermata anche misurando la frequenza con cui risuona nella trappola ionica, frequenza che differisce per le particelle molecolari più pesanti. Ulteriori misurazioni lo hanno rivelato in effetti ogni la collisione ione-molecola ha portato alla formazione di uno ione molecolare.

Una reazione utile

Il gruppo ha poi scoperto che i loro metodi erano molto delicati: potevano usare la reazione Li +Yb+ → LiYb+ + Li per rilevare solo circa 50 molecole in una nuvola di 20.000 atomi. Per tali tracce di molecole, le normali tecniche di imaging in genere falliscono. Pertanto, lo ione potrebbe essere utilizzato come un sensore molto migliore per le molecole. Questo risultato è un primo passo verso la possibilità di sondare gli stati quantistici della materia con un solo ione come rivelatore.

La reazione chimica fredda osservata indica anche un nuovo metodo per ottenere ioni molecolari freddi e controllabili. Questi sono particolarmente interessanti per la spettroscopia di precisione e per una migliore comprensione delle collisioni ultrafredde e della chimica.


I fisici guidano le reazioni chimiche mediante campi magnetici e interferenze quantistiche


Maggiori informazioni:
H. Hirzler et al, Osservazione delle reazioni chimiche tra uno ione intrappolato e dimeri di Feshbach ultrafreddi, Lettere di revisione fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.103401

Fornito dall’Università di Amsterdam

Citazione: Utilizzo di ioni per trovare molecole (2022, 11 marzo) recuperato il 17 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-ions-molecules.html

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