Utiliser des ions pour trouver des molécules

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Dessin de la collision étudiée entre un ion Yb et un Li2 Molécule de Feshbach, résultant en un ion moléculaire LiYb+. L’arrière-plan montre une vue de l’expérience hybride ion-atome à l’Université d’Amsterdam. Crédit : Université d’Amsterdam

Lorsque nous pensons aux ions, nous pensons généralement à des atomes uniques qui ont perdu ou gagné des électrons, mais des molécules entières peuvent également devenir des ions. Dans une nouvelle publication qui a été mise en évidence en tant que suggestion de l’éditeur dans Lettres d’examen physique cette semaine, des physiciens de l’Université d’Amsterdam, de QuSoft et de l’Université de Stony Brook, montrent que des ions moléculaires froids peuvent être créés à l’aide d’une nouvelle méthode et qu’ils constituent un outil très utile pour détecter de petites quantités d’autres molécules régulières.

Ions piégés

Un ion est un atome ou une molécule avec un surplus ou un manque d’électrons. Étant des particules chargées, les ions peuvent être « piégés » par les champs électromagnétiques : il est facile de les maintenir dans une position fixe. Les ions piégés constituent une plateforme prometteuse pour le calcul quantique. La raison en est qu’ils peuvent être stockés pendant une longue période et que les lasers modernes permettent aux physiciens de contrôler très précisément les ions individuels. Ces propriétés font également des ions piégés des candidats de choix pour étudier les réactions chimiques, en particulier lorsqu’ils sont immergés dans un bain d’atomes ou de molécules régulières.

Dans de nombreuses expériences de physique, il est utile d’étudier des particules extrêmement froides, simplement parce que les particules froides se déplacent plus lentement et vibrent moins, il y a donc moins de « bruit » dans l’expérience. Jusqu’à présent, les études ion-molécules se sont limitées aux molécules froides avec des températures d’environ 1 kelvin (c’est-à-dire un degré au-dessus de la température zéro absolu), mais l’expérience hybride ion-atome de l’Université d’Amsterdam utilise maintenant des molécules avec des températures de seulement quelques millionièmes de kelvin, étudiant les collisions ion-molécule les plus froides au monde.

Des physiciens dirigés par Rene Gerritsma de l’UvA-Institute of Physics et QuSoft en collaboration avec Arghavan Safavi-Naini (UvA / QuSoft) et Jesus Pérez-Ríos (Stony Brook University), ont mesuré l’ion moléculaire créé dans une réaction chimique où les molécules de lithium ( lin2) et des ions atomiques ytterbium (Yb+) se transforment en atomes de lithium (Li) et en ions moléculaires lithium-ytterbium (LiYb+). Ils ont pu utiliser cette réaction chimique pour détecter de très petites quantités de molécules. Leurs résultats ont été publiés cette semaine dans la revue Physical Review Letters.

Gaz ultrafroids

Outre leurs nombreuses autres utilisations, telles que leur utilisation dans des horloges extrêmement précises et des simulations quantiques de systèmes à plusieurs corps, les gaz ultrafroids peuvent également être utilisés pour créer des molécules froides. En utilisant une technique appelée magnéto-association, les soi-disant dimères de Feshbach peuvent être créés à partir d’un gaz ultra-froid – des molécules aussi froides que le gaz d’où proviennent leurs parties. En combinant ces molécules avec un seul ion piégé, les physiciens IoP Henrik Hirzler, Rianne Lous et Eleanor Trimby ont observé pour la première fois des réactions chimiques ion-molécule avec des molécules ultra-froides.

Les chercheurs ont observé que les collisions entre un seul ion et un dimère de Feshbach conduisaient à la formation de l’ion moléculaire mentionné ci-dessus, où l’un des atomes des molécules se collait à l’ion. En regardant la fluorescence de l’ion, la formation de l’ion moléculaire peut être observée en voyant la fluorescence s’assombrir, résultat du fait que l’ion moléculaire a des niveaux d’énergie différents de ceux de l’ion atomique. La présence de l’ion moléculaire a également été confirmée en mesurant la fréquence avec laquelle il résonne dans le piège à ions, fréquence différente pour les particules moléculaires plus lourdes. Des mesures supplémentaires ont révélé qu’en fait tous collision ion-molécule a entraîné la formation d’un ion moléculaire.

Une réaction utile

Le groupe a alors découvert que leurs méthodes étaient très sensibles : ils pouvaient utiliser la réaction Li2 + Yb+ → LiYb+ + Li pour détecter seulement environ 50 molécules dans un nuage de 20 000 atomes. Pour de telles traces de molécules, les techniques d’imagerie normales échouent généralement. Par conséquent, l’ion pourrait être utilisé comme un bien meilleur capteur pour les molécules. Ce résultat est un premier pas vers la possibilité de sonder les états quantiques de la matière avec un seul ion comme détecteur.

La réaction chimique à froid observée indique également une nouvelle méthode pour obtenir des ions moléculaires froids et contrôlables. Ceux-ci sont particulièrement intéressants pour la spectroscopie de précision et pour une meilleure compréhension des collisions et de la chimie ultrafroides.


Les physiciens dirigent les réactions chimiques par les champs magnétiques et les interférences quantiques


Plus d’information:
H. Hirzler et al, Observation des réactions chimiques entre un ion piégé et des dimères de Feshbach ultrafroids, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.128.103401

Fourni par l’Université d’Amsterdam

Citation: Utilisation d’ions pour trouver des molécules (11 mars 2022) récupéré le 16 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-ions-molecules.html

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