17.01.2022 • Atome und Moleküle

Blick ins Innere von Molekülen

Präzise quantenmechanische Beschreibung der Bindung negativer Ionen an Wasserstoffmoleküle.

Selbst einfachste molekulare Verbindungen sind bis heute nicht zur Gänze verstanden. Wissenschaftler um Roland Wester von der Uni Innsbruck haben jetzt im Detail untersucht, wie negative Ionen sich an Wasserstoffmoleküle binden und gemeinsam mit internationalen Partnern eine präzise quantenmechanische Beschreibung dafür vorgelegt. Das Team wollte schon lange die Bindung von Wasserstoffanionen an Wasserstoffmoleküle untersuchen. Das erwies sich bisher allerdings als experimentell sehr schwierig. Deshalb haben die Wissenschaftler ein ähnliches Modell für die Bindung negativer Ionen ausgewählt: Chlor-Ionen, die eine vergleichbare Verbindung mit Wasserstoffmolekülen eingehen.

Abb.: Die Wissenschaftler entdeckten Spektrallinien, die zuvor von... — Abb.: Die Wissenschaftler entdeckten Spektrallinien, die zuvor von Theoretikern vorhergesagt wurden. (Bild: U. Innsbruck)

„Diese Komplexe sind nur schwach gebunden“, sagt Wester. „Es handelt sich eher um physikalische als um chemische Bindungen.“ Nun ist es den Forschern gemeinsam mit Kollegen in Paris, Bordeaux, Köln und Nijmegen gelungen, die quantenphysikalischen Details dieser Bindung zu verstehen und ihre theoretischen Berechnungen experimentell zu untermauern. Der Molekülkomplex aus Chlor und Wasserstoff kommt in zwei unterschiedlichen Konfigurationen vor, abhängig von der Magnetisierung der Wasserstoffatome. Ein quantenmechanischer Tunneleffekt führt dazu, dass die Spektrallinien dieser beiden Konfigurationen weit auseinanderliegen.

Entscheidend für die Untersuchungen war der Einsatz eines freien Elektronenlasers, dessen Infrarotphotonen ausreichen, um die schwache Bindung der Molekülkomplexe zu lösen. „Mit konventionellen Lasern wären Untersuchungen in diesem Bereich nicht möglich“, sagt Wester, dessen Team eine Ionenfalle am FELIX Laboratory im niederländischen Nijmegen für die Untersuchungen nutzen konnte. Dort gelang es, die entscheidenden Messungen durchzuführen und dabei die Spektrallinien zu entdecken, die zuvor von Theoretikern in Paris und Bordeaux vorhergesagt wurden.

Diese hatten nach früheren Messungen präzise quantenmechanische Berechnungen für den Molekülkomplex durchgeführt und darauf basierend auf weitere, bisher noch nicht entdeckte Spektrallinien für die zweite Konfiguration hingewiesen. Für deren Nachweis war es notwendig, diese schwächer gebundene Konfiguration stark anzureichern und die Ionenfalle dafür bei leicht erhöhten Temperaturen zu betreiben. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler schließlich diese neuen Spektrallinien in ihren Messdaten nachweisen.

U. Innsbruck / RK