Chemie am Temperaturnullpunkt

Zwei Forschergruppen haben ultrakalte Atome und Moleküle auf kontrollierte Weise chemisch reagieren lassen und dabei interessante Quanteneffekte beobachtet.

Normalweise laufen chemische Reaktionen bei Temperaturen von einigen 10 oder 100 Kelvin ab. Die Reaktionspartner – Atome oder Moleküle – sind dann in einem Gemisch aus zahllosen Quantenzuständen, sodass sich Quanteneffekte kaum bemerkbar machen. Doch bestimmte Atom- und Molekülsorten kann man inzwischen auf extrem tiefe Temperaturen abkühlen und gezielt in bestimmte Quantenzustände bringen. Kollidieren die so präparierten Teilchen miteinander, so können perfekt kontrollierte chemische Reaktionen stattfinden, an denen sich Quanteneffekte beobachten lassen. Zwei Forschergruppen in Österreich und in den USA ist jetzt der Einstieg in die Welt der ultrakalten Chemie gelungen.

Beide Gruppen hielten Alkaliatome in einer optischen Falle fest und kühlten sie auf Temperaturen unterhalb von 1 µK ab. Dann setzten sie die Atome einem starken Magnetfeld aus. Bei einer bestimmten Feldstärke trat eine sogenannte Feshbach-Resonanz auf, die dazu führte, dass die Atome locker gebundene Paare bildeten. Rudi Grimm von der Universität Innsbruck und seine Kollegen nutzten solche aus zwei Cäsiumatomen bestehenden Feshbach-Moleküle direkt für ihre chemischen Reaktionsexperimente. Die Forscher um Silke Ospelkaus und Deborah Jin am JILA in Boulder wandelten ihre aus Kalium- und Rubidiumatomen bestehenden Feshbach-Moleküle durch Bestrahlung mit Laserlicht in „richtige“ KRb-Moleküle um, die sich im Rotations- und Schwingungsgrundzustand befanden. Dann konnten die ultrakalten chemischen Reaktionen beginnen.

Die Innsbrucker Forscher hatten in ihrer Falle ca. 30.000 Cs-Atome und 4.000 Cs2-Moleküle, die zunächst alle im selben Hyperfeinzustand (A) waren. Mit Mikrowellen wurden die Einzelatome in einen anderen Zustand (B) angeregt. Kamen ein Atom und ein Molekül einander nahe genug, so konnte eine chemische Reaktion der Form A₂+B → AB+A stattfinden. Die Forscher untersuchten den Ablauf dieser Reaktion, indem sie verfolgten, wie sich die Zahl der B-Atome und der A₂-Moleküle mit der Zeit änderte. Dabei stellten sie fest, dass die Rate, mit der die A₂-Moleküle aus der Falle verschwanden, sehr stark von der Magnetfeldstärke abhing und bei 35 G eine deutliche Zunahme zeigte. Für Feldstärken oberhalb von 35 G, so ergaben Berechnungen, wurde bei der Reaktion A₂+B → AB+A Energie frei, sodass sie stattfinden konnte. Unterhalb von 35 G reichte die Energie der ultrakalten Atome und Moleküle nicht für eine Reaktion aus.

Oberhalb von 35 G reagierten die A₂-Moleküle sehr effizient mit den B-Atomen. Sobald ein Atom einem Molekül auch nur auf 100 Bohr-Radien nahekam, fand schon eine Reaktion statt. Die Forscher erklären das damit, dass die A₂-Moleküle räumlich sehr weit ausgedehnt sind. Dabei umgibt das eine A-Atom das andere wie ein Halo, dessen Radius größer als 100 Bohr-Radien ist. Dringt das B-Atom in diesen Halo ein, so kann es gegen das A-Atom ausgetauscht werden, um dann seinerseits einen Halo zu bilden.

Die Forscher am JILA haben unterschiedliche chemische Reaktionen zwischen den K- und Rb-Atomen und den KRb-Moleküle beobachtet. Besonders interessant war die exotherme Reaktion KRb + KRb → K₂ + Rb₂. Den Ablauf dieser Reaktion studierten Silke Ospelkaus und ihre Kollegen, indem sie verfolgten, wie die KRb-Moleküle aus der Falle verschwanden. Da die benutzten Moleküle Fermionen waren, hing ihre Kollisions- und Reaktionswahrscheinlichkeit stark davon ab, wie ihre Kernspins ausgerichtet waren, also in welchem Hyperfeinzustand sich die Moleküle befanden. Sind nämlich zwei kollidierende KRb-Moleküle im selben Hyperfeinzustand, so können sie aufgrund des Pauli-Verbots nicht zentral miteinander kollidieren sondern nur versetzt, mit einem nichtverschwindenden Drehimpuls. In diesem Fall ist die effektivste Kollisions- und Reaktionsmöglichkeit verboten.

Tatsächlich beobachteten die JILA-Forscher, dass die Reaktionsrate für das homogene Gas aus KRb-Molekülen im gleichen Hyperfeinzustand etwa 100 Mal kleiner war als für ein Gemisch aus KRb-Molekülen in zwei verschiedenen Hyperfeinzuständen. Im Gemisch lief die Reaktion als wesentlich schneller ab als im homogenen Gas. Für das Zustandekommen der chemischen Reaktion war es demnach wichtig, wie die einzelnen Kernspins der beteiligten Atome ausgerichtet waren: ein bemerkenswerter Quanteneffekt! Darüber hinaus haben die Forscher beobachtet, dass die Reaktionsrate für das homogene Gas linear mit der Temperatur zunahm, während sie für das Gemisch temperaturunabhängig war – in Einklang mit der Theorie. Beide Experimente, in Innsbruck wie in Boulder, sind ein furioser experimenteller Auftakt für ein neues Forschungsgebiet: die Chemie ultrakalter Molekülgase.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  S. Ospelkaus et al.: Quantum-State Controlled Chemical Reactions of Ultracold Potassium-Rubidium Molecules. Science 327, 853 (2010)
  dx.doi.org/10.1126/science.1184121
  arxiv.org/abs/0912.3854
• S. Knoop et al.: Magnetically Controlled Exchange Process in an Ultracold Atom-Dimer Mixture. Esry, Phys. Rev. Lett. 104, 053201 (2010)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.053201
  physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.104.053201.pdf (frei!)
• Gruppe von Deborah Jin Group am JILA:
  jila.colorado.edu/~jin/index.html
• Gruppe von Rudi Grimm an der Universität Innsbruck:
  www.uibk.ac.at/exphys/ultracold/

Weitere Literatur:

• S. Ospelkaus et al.: Controlling the Hyperfine State of Rovibronic Ground-State Polar Molecules. Phys. Rev. Lett. 104, 030402 (2010)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.030402
  arxiv.org/abs/0908.3931
• P. Julienne: Ultracold molecules from ultracold atoms: A case study with the KRb molecule. Faraday Discuss. 142, 361 (2009)
  dx.doi.org/10.1039/b820917k
  arxiv.org/pdf/0812.1233
• Roman V. Krems: Ultracold controlled chemistry. Physics 3, 10 (2010)
  physics.aps.org/articles/v3/10 (frei!)
• Jeremy M. Hutson: Ultracold Chemistry. Science 327, 788 (2010)
  dx.doi.org/10.1126/science.1186703
• R. V. Krems: Cold controlled chemistry. Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 4079 (2008).
  dx.doi.org/10.1039/b802322k
  www.chem.ubc.ca/faculty/krems/personal/PUBLICATIONS/pccp2008.pdf (frei!)
• Lincoln D Carr et al.: Cold and ultracold molecules: science, technology and applications. New J. Phys. 11, 055049 (2009)
  dx.doi.org/10.1088/1367-2630/11/5/055049 (frei!)
  

AL