Twee losse atomen aan elkaar geplakt tot molecuul

Scheikunde

Met ‘optische pincetten’ zijn twee atomen aan elkaar geplakt om één molecuul te maken. Dit is scheikunde op de allerkleinste schaal.

Een ‘optische pincet’ is een bundel laserlicht waarmee een atoom vastgehouden kan worden. Istock

Door met optische pincetten twee losse atomen bij elkaar te brengen bouwden onderzoekers van Harvard University één enkel molecuul. Dit is scheikunde op de allerkleinste schaal. Een natrium-atoom werd aan een cesium-atoom geplakt om daarmee één natrium-cesium (NaCs) molecuul te maken.

Normaalgesproken voegen scheikundigen grote hoeveelheden atomen en moleculen samen als ze een nieuwe stof willen maken. Ze hopen dan dat een aantal van die deeltjes met elkaar botsen en het gewenste materiaal vormen. Door met ‘optische pincetten’ individuele atomen gecontroleerd bij elkaar te brengen, kan de productie van moleculen beter bestudeerd worden. Bovendien wordt het mogelijk om speciaal ontworpen moleculen te bouwen, om bijvoorbeeld dienst te doen als qubits voor toekomstige quantumcomputers. Amerikaanse onderzoekers presenteerden hun resultaten donderdag in Science.

De onderzoekers bouwden de moleculen met twee zogenoemde optische pincetten, waarmee ze een enkel atoom kunnen vastpakken met behulp van een bundel laserlicht. In één pincet hielden ze een cesium-atoom gevangen en in een andere een natrium-atoom. Vervolgens bewogen ze het cesium-atoom naar het natrium-atoom toe. Eenmaal samengebracht deden ze het licht van de optische pincet met natrium kort uit en aan. Als de atomen op dat moment net iets te ver bij elkaar vandaan zijn, dan ontsnapt het natrium-atoom en blijft cesium achter. Maar als ze elkaar dicht genoeg zijn genaderd, voegt natrium zich bij het cesium-atoom. Ze bevinden zich dan in dezelfde pincet en kunnen een NaCs-molecuul vormen.

Laserlicht

Optische pincetten klemmen deeltjes vast met gefocust laserlicht. Iets vasthouden met licht lijkt misschien onmogelijk, maar een klein deeltje, zoals een atoom of een molecuul, kan wel degelijk in beweging worden gebracht door er een bundel licht op te schijnen. Een bundel krachtig laserlicht kun je zien als een bombardement van lichtdeeltjes (fotonen) die tegen een deeltje aan botsen. Die lichtdeeltjes oefenen een klein beetje druk uit op het deeltje waardoor het in beweging komt. Door een laserstraal te focussen, kan de lichtdruk een deeltje naar het midden van de straal duwen. Het komt dan vast te zitten in het brandpunt van de bundel laserlicht.

„De optische pincet is een mooie techniek omdat er precies één atoom mee vastgepakt kan worden ”, vertelt promovendus Lee Liu van Harvard University in een mail. „Bovendien verstoort de lichtdruk de karakteristieke eigenschappen van het atoom niet.” De moleculen die de onderzoekers maakten, bleken zich in een toestand te bevinden die niet eerder gezien was. Liu: „Het bestaan van deze toestand was wel voorspeld door theoretische modellen, maar het was nog nooit gemeten in experimenten.”

De techniek kan ook gebruikt worden voor andere soorten atomen en moleculen. Zo kunnen verschillende chemische reacties bestudeerd worden in een geïsoleerde omgeving.