„Ein Quantum Rotation, und sonst nichts“
Elementarer Stoßprozess zwischen Atomen und geladenen Molekülen bei tiefen Temperaturen präzise vermessen.
Abb.: Das Herzstück der Ionenfallen-Apparatur, in der Vakuumkammer befindet sich die eigentliche Ionenfalle. (R. Wester, LFU)
Während sich die Atome und Moleküle in einem heißen Gas schnell und chaotisch bewegen, schränkt Kälte die ungeordneten Bewegungen mehr und mehr ein. Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt ermöglichen sorgfältige Präzisionsmessungen an kalten Molekülen, welche bei diesen Bedingungen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und Licht treten dann nicht mehr bei beliebigen Energien der Teilchen auf, sondern nur wenn die Anregung von Drehungen und Schwingungen der Moleküle bei genau bestimmten Werten erfolgt.
Forschern des Instituts für Ionenphysik und Angewandte Physik der Uni Innsbruck um Professor Roland Wester ist es nun erstmals gelungen, einen elementaren Wechselwirkungsprozess im Labor zu verwirklichen, bei dem durch den Stoß eines Atoms auf ein Hydroxidion präzise jenes Quant an Energie zugeführt wird, bei dem ein geladenes Molekül aus der Ruhe in den ersten Drehungszustand versetzt wird. Der Prozess, eine solche reine Änderung der Rotation in Gang zu setzen und auch wieder zu stoppen, konnte dabei nicht nur genau vermessen werden. Er ist durch die präzise Übereinstimmung mit theoretischen quantenmechanischen Berechnungen nun auch gut verstanden.
Daniel Hauser, der federführende Autor der Studie, berichtet über mögliche Anwendungen dieser Forschung: „Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis grundlegender Abläufe in verschiedenen Forschungsbereichen bei. In der Astrophysik beispielsweise muss man verstehen, wie das Kühlverhalten von Gaswolken funktioniert, um zu erklären, wie Sterne und Planeten entstehen. Dabei spielen Stöße, bei denen die Drehung geändert wird, eine zentrale Rolle. Eine weitere interessante Anwendung ergibt sich im Bereich der kalten Chemie. Dort können elementare Rotationsanregungen möglicherweise spezielle chemische Prozesse auslösen.“
Abb.: Schematische Darstellung der Ionenfalle, in der die kalten geladenen Moleküle mit Hilfe von Lasern untersucht werden. (Bild: D. Hauser)
Das Innsbrucker Experiment besteht aus einer Ionenfalle, in der die Forscher kalte geladene Moleküle mit Hilfe von Lasern untersuchen. Negativ geladene Hydroxidionen, die aus einem Atom Sauerstoff und einem Atom Wasserstoff oder Deuterium zusammengesetzt sind, werden in der Falle eingefangen, auf etwa minus 260 Grad Celsius gekühlt und lassen scih so mehrere Minuten lang vermessen. Heliumatome regen dann durch Stöße die Moleküle zu elementaren quantisierten Drehungen an, oder stoppen die Rotation bereits angeregter Moleküle wieder. Mit Hilfe des Lasers werden die Wahrscheinlichkeiten für diese eine An- oder Abregung analysiert. „Das Elegante bei diesem Prozess ist, dass es sonst keine Möglichkeit gibt, Energie in das System hineinzubringen,“ erklärt Wester. „Es gibt genau dieses Quantum Rotation, und sonst nichts.“
Die Untersuchung grundlegender chemischer Prozesse an kalten Molekülen und die Entwicklung neuer Untersuchungsmethoden sind zentrale Forschungsthemen von Westers Arbeitsgruppe. So forscht das Team aktuell an neuen Möglichkeiten der Anwendung von Terahertzstrahlen zur Manipulation kalter Moleküle.
LFU / OD
