Neutrale moleculen draaien door
Natuurkundige Rick Bethlem heeft met collega-onderzoekers een opslagring voor elektrisch neutrale moleculen ontwikkeld. Het zogeheten synchrotron is slechts vijfentwintig centimeter in doorsnede en kan pakketjes moleculen met een lage energie opslaan en bij elkaar houden. Bovendien kunnen meerdere pakketjes tegelijk ronddraaien. Hiermee is het mogelijk om botsingen tussen moleculen op een totaal nieuwe manier te bestuderen. Nature Physics publiceert het ontwerp van de nieuwe opslagring in het nummer van februari 2007 en zette het artikel op 21 januari 2007 online.
Bethlem en collega onderzoekers demonstreerden het eerste synchrotron voor neutrale moleculen. De moleculen die in dit apparaat zijn opgesloten, hebben extreem lage energie. De moleculen bewegen met een snelheid van rond de 360 kilometer per uur en hebben een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. In een synchrotron draaien deeltjes rondjes synchroon met het elektrische veld wat hen in hun cirkelvormige baan houdt. Door pakketjes moleculen in beide richtingen in het apparaat rond te laten draaien kunnen botsingen tussen moleculen bij deze lage energieën bestudeerd worden. Hoge-energiefysici gebruiken al langer synchrotrons. Zij gebruiken die apparaten om elektrisch geladen deeltjes juist tot zeer hoge energie te versnellen en met elkaar te laten botsen. Een bekende synchrotron is de Large Hadron Collider, de nieuwe deeltjesbotser met een omtrek van 27 kilometer die bij CERN in aanbouw is.
Hoe een onderzoeker een molecuul vangt
Hoe vang je nu een neutraal molecuul? De onderzoekers spelen hierbij in op de eigenschap dat veel moleculen een duidelijk elektrisch positief en elektrisch negatief geladen deel hebben. Hoewel ze in hun geheel neutraal zijn reageren ze door die ladingsscheiding wel op een elektrisch veld. Een pakketje moleculen dat geïnjecteerd wordt in een ringvormige buis waarop hoogspanning is aangelegd zal rondjes gaan draaien. De elektrische krachten zorgen ervoor dat de moleculen in het midden van de buis blijven en niet uit de bocht vliegen. Een dergelijke buis werkt zo als opslagring voor neutrale moleculen.
Duwtje in de rug
De moleculen die op deze manier opgeslagen zijn in een ring, zijn niet allemaal even snel. Een wolkje moleculen dat in de ring rondvliegt, zal uitspreiden doordat het ene molecuul achterblijft en een ander vooruit sprint. Het nu gedemonstreerde synchrotron bestaat uit twee halve ringen. Als moleculen de spleet tussen de twee helften passeren, worden de elektrische velden zo geschakeld dat snelle moleculen iets afgeremd worden. Te langzame moleculen krijgen juist een duwtje in de rug. Zo blijft een pakketje moleculen van drie millimeter lang zelfs na veertig rondjes (dertig meter vliegen) bij elkaar.
Veni-subsidie
Rick Bethlem ontving in 2005 via het Gebied Natuurkunde een Veni-subsidie van NWO. Dit is een persoonsgebonden subsidie uit de Vernieuwingsimpuls. Doelgroep voor de Vernieuwingsimpuls zijn excellente onderzoekers die tot de beste tien tot twintig procent van hun groep horen. De Veni-beurs biedt pas gepromoveerde onderzoekers de gelegenheid hun onderzoek uit te voeren en zo in te stromen bij wetenschappelijke onderzoeksinstellingen. Bethlem deed onderzoek aan het opsluiten van moleculen met elektrische velden in het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein. De onderzoeksgroep verhuisde naar het Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlijn. Daar wordt het onderzoek naar het synchrotron voor neutrale moleculen uitgevoerd. Tegelijkertijd bouwt Bethlem met zijn Veni-beurs een nieuwe opstelling in het Laser Centrum van de Vrije Universiteit in Amsterdam om precisiemetingen te doen aan langzame moleculen.
Het artikel is getiteld 'A molecular synchrotron', de auteurs zijn C.E. Heiner, D. Carty, G. Meijer & H.L. Bethlem en het verschijnt in Nature Physics, Volume 3, Number 2, February 2007 / online-publicatie 21 januari 2007.06-54e.
Meer informatie bij dr. Rick Bethlem (Laser Centrum van de Vrije Universiteit en Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft), telefoon: (020) 598 79 51.