Elektronenstruktur in extremen Magnetfeldern

Wenn Sterne ihre Energie verbraucht haben und sterben, werden sie in der Regel zu einem Weißen Zwerg. 10 bis 20 Prozent dieser Weißen Zwerge besitzen ein extrem starkes Magnet­feld, das bis zu 100.000 Tesla erreichen kann. Wie sich Atome und Moleküle in einem solchen Magnet­feld verhalten, ist bisher weit­gehend unbe­kannt, besonders für die Astro­physik aber von großem Interesse. Wissen­schaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben nun eine quanten­chemische Methode entwickelt, um die Eigen­schaften von Atomen und Molekülen in starken Magnet­feldern vorher­zusagen. Anhand ihrer Berech­nungen können sie theo­retische Spektren erstellen, mit denen Astro­physiker die tat­sächlich beo­bachteten Spektral­linien eines Weißen Zwergs ver­gleichen und ana­lysieren können.

Starke Magnet­felder verändern die Elektronen­struktur von Atomen und Molekülen radikal. Weil aber solche starken Magnet­felder auf der Erde nicht erzeugt werden können, ist wenig darüber bekannt, wie sich Atome und Mole­küle unter diesen Bedin­gungen tat­sächlich ver­halten, wie sie genau aufgebaut sind und welche Eigen­schaften sie besitzen. Ins­besondere die Astro­physik interes­siert sich für neue Daten auf diesem Gebiet, um die beo­bachteten elektro­magnetischen Spektren von Weißen Zwergen zu inter­pretieren und damit Atome und Moleküle in ihrer Atmo­sphäre zu iden­tifizieren. „Die Astro­physik benötigt theo­retische Vorhersagen, weil sich die Spektren in einem Magnet­feld sehr stark verändern“, erklärt Stella Stop­kowicz vom Mainzer Institut für Physika­lische Chemie.

Labor­versuche können in solchen Fällen nicht heran­gezogen werden, weil selbst mit starken Magneten auf der Erde zerstörungs­frei höchstens 100 Tesla zu erreichen sind. Zum Beispiel ist das Magnet­feld der Erde etwa 60 Mikro­tesla stark. Die Magnet­resonanz­tomographie (MRT) zur medi­zinischen Bildgebung arbeitet mit Feld­stärken zwischen 1,5 und 10 Tesla. Bei nicht­magne­tischen Weißen Zwergen konnten durch den Vergleich mit Labor­ergebnissen bereits verschiedene Atome und Moleküle identi­fiziert werden. Auch bei magne­tischen Weißen Zwergen wurden bereits die Elemente Wasser­stoff und Helium nach­gewiesen.

Die bislang für theo­retische Vorher­sagen verwendete quanten­chemische Methode ist aller­dings im Hinblick auf die Computer­rechenzeit so teuer, dass sie für elektronen­reichere Atome oder für Moleküle nicht prakti­kabel ist. Von nicht­magnetischen Weißen Zwergen ist bekannt, dass auf ihnen auch andere Elemente wie Kohlen­stoff, Silizium, Phosphor und Schwefel sowie vermut­lich kleine Kohlen­wasserstoff­verbindungen vorkommen. Man weiß außerdem, dass Magnet­felder dazu tendieren, die Bindungs­energie von Molekülen zu erhöhen. Daher ist es wahr­scheinlich, dass diese Atome und Moleküle auch bei magne­tischen Weißen Zwergen zu finden sind.

Basis für ent­sprechende theo­retische Vorher­sagen ist die „Equation-of-Motion Coupled-Cluster“-Methode, die sich für den feld­freien Fall in quanten­chemischen Berech­nungen bewährt hat und die Florian Hampe und Stella Stopkowicz für die Behand­lung von Atomen und Molekülen in einem Magnet­feld angepasst haben. Damit eröffnen sich neue Möglich­keiten, Grundlagen­forschung für Atome und Moleküle in starken Magnet­feldern zu betreiben. So wurde vor Kurzem eine völlig neue, dritte Form che­mischer Bindungen – neben den beiden bekannten Formen der kova­lenten Bindung und der Ionen­bindung – entdeckt, die nur unter dem Einfluss eines starken Magnet­feldes auftritt und als „Perpen­dicular Para­magnetic Bonding“ bezeichnet wird. „Diese exo­tische Bindungs­form konnte bisher auf der Erde nicht nach­gewiesen werden, kann aber mit der neuen Methode genauer unter­sucht werden“, so Stopkowicz. „Wird ein Molekül in einem starken Magnet­feld stabiler oder wird es zerstört und welche Bindungen geht es ein? Es gibt dazu noch viele offene Fragen.“

JGU Mainz / JOL