17.11.2017

Ultrakalte Prozesse analysiert

Dreikörperrekombination mit tiefgekühlten Rubidiumatomen untersucht.

Einer deutsch-ameri­kanischen Forscher­gruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quanten­niveau zu vermessen. Dadurch können sie erstmals die Produkt­zustands­verteilung über alle Quanten­zustände hinweg unmit­telbar nach der Molekül­bildung nachvoll­ziehen. Die Ergebnisse tragen zu einem vertieften Verständnis ultra­kalter chemischer Prozesse bei und könnten in Zukunft die gezielte Steuerung von Reaktionen auf Quanten­niveau ermög­lichen.

Abb.: Graphische Darstellung zur Dreikörperrekombination mit möglichen Produkten. Die roten Kugeln repräsentieren Rubidiumatome, die blauen Wolken die Bindung zwischen einzelnen Atomen. (Bild: Inst. f. Quantenmaterie, U. Ulm)

Bei ihrer wissen­schaftlichen Arbeit haben die Forscher Theorie mit Experiment kombi­niert und exemplarisch auf eine der funda­mentalsten chemischen Reaktionen gesetzt, die Dreikörper­rekombi­nation. Dabei kommen sich drei Atome so nahe, dass zwei von ihnen zu einem Molekül reagieren und das dritte Atom einen Teil der dabei ent­stehenden Energie abtrans­portiert. Bisher waren die genauen Zustände der mole­kularen Endprodukte nicht bekannt. Doch nun können die Forscher um Physiker Johannes Hecker Denschlag, Leiter des Instituts für Quanten­materie, den Molekül­zustand in allen Details unmittelbar nach der Drei-Partikel-Kollision bestimmen.

In einer Ultravakuum­apparatur wurde das in einer Falle gefangene Gas aus Rubidium­atomen mit einem Laser­strahl zunächst auf eine Temperatur von einem millionstel Grad Kelvin abgekühlt. Dieses ultra­kalte Gas bildet daraufhin eine genau definierte quanten­mechanische Wolke, in der die Dreikörper­rekombina­tion stattfindet. Aufgrund der gemessenen Produkt­verteilungen konnten die Forscher neue Regeln für chemische Reaktions­pfade ableiten. „Trotz Super­computer ist die exakte Simulation solcher Reak­tionen bisher nicht reali­sierbar. Aufgrund der gefundenen Reaktions­regeln konnten die Kollegen aus den USA jedoch ein vergleichs­weise einfaches Modell entwickeln, mit dem einige der experi­mentellen Messer­gebnisse erstmals nachvoll­zogen werden können“, erklärt Hecker Denschlag.

Die Ergebnisse der experi­mentellen und theore­tischen Arbeiten der Forschungs­gruppe sind wegweisend für die Unter­suchung von weiteren ultra­kalten chemischen Prozessen. „In vielen Laboren ist die erforder­liche experi­mentelle Ausstattung bereits vorhanden, so dass weitere Forscher­gruppen an unsere Arbeit anknüpfen können. Die experi­mentellen Ergebnisse wiederum fordern die Theo­retiker heraus, ihre Modelle und Theorien beständig weiterzu­entwickeln“, erklärt Hecker Denschlag. Durch die Kombi­nation von Theorie und Experiment werde ein tiefes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, was zukünftig gegebenen­falls genutzt werden könne, um den Reaktions­prozess auf dem Quanten­niveau zu steuern.

U. Ulm / JOL

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