News: Ausgebremst
Normalerweise sind Moleküle und Atome relativ schnell unterwegs. Stoßen sie dann aufeinander, brechen sie meist auseinander. Jetzt ist es Forschern gelungen, die Stoßpartner erheblich abzubremsen, bevor sie zusammenkrachen. Das verspricht neue Erkenntnisse über die Quantenphysik der Teilchen.
© Alex Poelman, FOM Institute for Plasmaphysics, Nieuwegein (Ausschnitt)
Wollen Physiker etwas über die Struktur und Wechselwirkungen von Molekülen, Atomen oder deren Bausteine herausfinden, so lassen sie diese oftmals unter kontrollierten Bedingungen zusammenstoßen und messen danach ihre Eigenschaften. Die Geschwindigkeit, mit der die Teilchen aufeinander treffen, ist bei solchen Experimenten allerdings entscheidend. In großen Teilchenbeschleunigern jagen die Wissenschaftler beispielsweise geladene Teilchen mit derart hohen Geschwindigkeiten aufeinander, dass diese in ihre kleinsten Bausteine zerlegt werden.
Naturgemäß haben neutrale Moleküle Geschwindigkeiten, die sich relativ breit um einen Mittelwert von rund fünfhundert Meter pro Sekunde verteilen. Das ist zu schnell, um bei einem Stoß ihre molekulare Quantenstruktur beobachten zu können. Bis vor kurzem gestaltete es sich allerdings noch schwierig, Moleküle entsprechend zu verlangsamen. Nun gelang das Vorhaben mit einer besonderen Molekülbremse.
Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts in Berlin haben unter Leitung von Gerard Meijer Experimente durchgeführt, bei denen abgebremste Moleküle gegen Atome stoßen. Ihre Geschwindigkeit ist dabei so gering, dass die neutralen Moleküle weder zerstört werden noch in kleinere Teilchen zerfallen.
Der Abbremser funktioniert genau gegenteilig zu einem Teilchenbeschleuniger und ermöglicht den Forschern, die Molekülgeschwindigkeiten auf einer Skala zwischen 33 und 700 Meter pro Sekunde genau einzustellen. Zudem haben alle Moleküle, die den Abbremser verlassen, in etwa die gleiche Geschwindigkeit.
Um die Wirksamkeit dieser Methode zu demonstrieren, ließen die Forscher OH-Moleküle auf Xenon-Atome stoßen. In Abhängigkeit von der Stoßenergie können die OH-Moleküle durch den Stoßprozess in Rotation versetzt werden. Die Gesetze der Quantenmechanik schreiben allerdings vor, dass sich die Drehgeschwindigkeit von Molekülen nicht kontinuierlich, sondern nur stufenweise erhöhen lässt.
Genau dies konnten Meijer und sein Team auch in ihren Experimenten beobachten. Danach verglichen sie ihre Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen. Es zeigte sich, dass die experimentellen und rechnerischen Werte sehr gut übereinstimmten, was die Präzision der zu Grunde liegenden Theorie belegt.
In Zukunft wollen die Forscher nicht nur Atome und Moleküle, sondern auch Molekül auf Molekül treffen lassen und dabei die Geschwindigkeit beider Stoßpartner präzise variieren. Hierfür sind dann zwei Molekülabbremser erforderlich. Damit kann man die Genauigkeit der Stoßenergie um das Zehnfache erhöhen. Auf diese Weise sollten weitere Details der molekularen Quantenstruktur sichtbar werden. Die Erkenntnisse helfen den Forschern dann zum Beispiel dabei, die Entstehung langlebiger Molekülkomplexe zu verstehen.
Doch der Molekülabbremser ermöglicht auch neuartige Experimente auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie. Denn steht gerade genug Energie für eine chemische Reaktion zur Verfügung, so dominieren Quanteneffekte das Verhalten der Reaktionspartner. Was unter solchen Bedingungen genau passiert, ist jedoch noch größtenteils unbekannt.
Naturgemäß haben neutrale Moleküle Geschwindigkeiten, die sich relativ breit um einen Mittelwert von rund fünfhundert Meter pro Sekunde verteilen. Das ist zu schnell, um bei einem Stoß ihre molekulare Quantenstruktur beobachten zu können. Bis vor kurzem gestaltete es sich allerdings noch schwierig, Moleküle entsprechend zu verlangsamen. Nun gelang das Vorhaben mit einer besonderen Molekülbremse.
Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts in Berlin haben unter Leitung von Gerard Meijer Experimente durchgeführt, bei denen abgebremste Moleküle gegen Atome stoßen. Ihre Geschwindigkeit ist dabei so gering, dass die neutralen Moleküle weder zerstört werden noch in kleinere Teilchen zerfallen.
Der Abbremser funktioniert genau gegenteilig zu einem Teilchenbeschleuniger und ermöglicht den Forschern, die Molekülgeschwindigkeiten auf einer Skala zwischen 33 und 700 Meter pro Sekunde genau einzustellen. Zudem haben alle Moleküle, die den Abbremser verlassen, in etwa die gleiche Geschwindigkeit.
Um die Wirksamkeit dieser Methode zu demonstrieren, ließen die Forscher OH-Moleküle auf Xenon-Atome stoßen. In Abhängigkeit von der Stoßenergie können die OH-Moleküle durch den Stoßprozess in Rotation versetzt werden. Die Gesetze der Quantenmechanik schreiben allerdings vor, dass sich die Drehgeschwindigkeit von Molekülen nicht kontinuierlich, sondern nur stufenweise erhöhen lässt.
Genau dies konnten Meijer und sein Team auch in ihren Experimenten beobachten. Danach verglichen sie ihre Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen. Es zeigte sich, dass die experimentellen und rechnerischen Werte sehr gut übereinstimmten, was die Präzision der zu Grunde liegenden Theorie belegt.
In Zukunft wollen die Forscher nicht nur Atome und Moleküle, sondern auch Molekül auf Molekül treffen lassen und dabei die Geschwindigkeit beider Stoßpartner präzise variieren. Hierfür sind dann zwei Molekülabbremser erforderlich. Damit kann man die Genauigkeit der Stoßenergie um das Zehnfache erhöhen. Auf diese Weise sollten weitere Details der molekularen Quantenstruktur sichtbar werden. Die Erkenntnisse helfen den Forschern dann zum Beispiel dabei, die Entstehung langlebiger Molekülkomplexe zu verstehen.
Doch der Molekülabbremser ermöglicht auch neuartige Experimente auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie. Denn steht gerade genug Energie für eine chemische Reaktion zur Verfügung, so dominieren Quanteneffekte das Verhalten der Reaktionspartner. Was unter solchen Bedingungen genau passiert, ist jedoch noch größtenteils unbekannt.
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