Создан первый синхротрон для нейтральных молекул

Немецкие ученые создали и продемонстрировали в работе первый синхротрон, предназначенный для работы с нейтральными молекулами.

Дискообразный прибор с диаметром 25 сантиметром может замедлять или ускорять направленный пучок частиц, движущихся по кольцу. Прибор может быть использован для изучения столкновений «холодных» молекул, движущихся с незначительными скоростями. Техническая новинка позволит исследовать протекание процессов, быстро завершающихся при более высоких температурах и недоступных для изучения «медленными» физическими методами.

Цинтия Хайнер (Cynthia Heiner) и ее коллеги из Института Фрица Габера в Берлине разработали синхротрон, принцип действия которого достаточно близок принципам работы ускорителей частиц, уже использующихся в различных исследовательских группах Швейцарии и Великобритании. Разработанные ранее молекулярно-ионные синхротроны ускоряют заряженные частицы с помощью электромагнитных полей до скоростей, приближающихся к скорости света. Однако, как отмечает соавтор исследования Герард Мейер (Gerard Meijer), манипулирование скоростью нейтральных молекул представляет собой гораздо более сложную задачу, так как их суммарный электрический заряд равен нулю, и электромагнитное поле попросту игнорирует незаряженные частицы.

Молекулы аммиака, на которых апробировался принцип работы нового синхротрона, обладают существенным дипольным моментом, что все же позволяет электрическим полям найти маленькую зацепку в управлении поведением этих частиц. Исследователи меняли напряженность электрического поля по всему периметру кольца прибора таким образом, что на каждый конец полярной молекулы электромагнитные силы действовали со слегка различающимися значениями энергии. Аккуратное и согласованное переключение напряженности полей управлялось компьютерным блоком контроля. Исследователям удалось сфокусировать молекулярный пакет с диаметром 3 мм и удерживать значение его скорости в районе 100 м/с. Вслед за первым молекулярным пакетом был отправлен второй, отстающий от первого на 20 см. Ученые из Берлина надеются, что им удастся достичь контроля над молекулярными пакетами, состоящими из различных типов частиц и движущимися в противоположных направлениях. Единственным требованием, предъявляемым к нейтральным молекулам, поведение которых будет контролироваться синхротроном, остается наличие дипольного момента.

Мейер отмечает, что наиболее интересная фаза планирующихся ее группой исследований будет заключаться в изучении молекул, движущихся со скоростью, эквивалентной температуре 0.5мK. При такой температуре столкновения частиц будут проходить очень мягко, и энергии столкновения будет недостаточно для разрушения молекулы на атомы. Вместо разрушения низкоэнергетические столкновения должны приводить к усилению интенсивности валентных и деформационных колебаний исследуемых молекул. Полученные таким образом данные позволят химикам узнать больше о природе переходных состояний химических реакций и более детально исследовать механизмы многих процессов.

Источник: Nature Physics, 2007, advance online publication