Molekulare Schrödinger-Katze

  • 28. May 2013

Zerbrechen des Wasserstoffmoleküls nach Photoionisation kinematisch vollständig untersucht.

Molekularer Wasserstoff (H2) ist das einfachste Molekül, in welchem Elektronenkorrelation eine wichtige Rolle spielt. Dies ermöglicht Zustände, in denen beide Elektronen angeregt sind und deren Gesamtenergie über der Bindungsenergie eines einzelnen Elektrons liegt. Ein solcher doppelt angeregter Zustand kann daher unter Emission eines Elektrons zerfallen. Diesen Vorgang nennt man Autoionisation, er ist aus dem Helium-Atom als einfachstem Beispiel bekannt. Im Unterschied hierzu kommt beim H2-Molekül der Abstand der beiden Protonen als zusätzlicher Freiheitsgrad hinzu. Ihre Bewegung erfolgt vergleichbar schnell mit der Zerfallszeit des autoionisierenden Zustands. Das dynamische Wechselspiel zwischen Elektronen und den wesentlich schwereren Protonen kann zur Dissoziation des H2+-Molekül-Ions in ein Proton und ein Wasserstoff-Atom führen. Dieser stark korrelierte Vier-Teilchen-Prozess wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht.

Abb.: Energiediagramm zur Photoionisation des Wasserstoff-Moleküls H2 mit Dissoziation des Molekülions H2+ in ein H-Atom und ein Proton (rot), violette Pfeile – durchgezogen: direkte Ionisation; gestrichelt: Autoionisation eines doppelt angeregten Zustands H2**. (Bild: MPIK)

Abb.: Energiediagramm zur Photoionisation des Wasserstoff-Moleküls H2 mit Dissoziation des Molekülions H2+ in ein H-Atom und ein Proton (rot), violette Pfeile – durchgezogen: direkte Ionisation; gestrichelt: Autoionisation eines doppelt angeregten Zustands H2**. (Bild: MPIK)

Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben die so genannte dissoziative (Auto-)ionisation von H2 nun kinematisch vollständig untersucht. Die Anregung des Systems erfolgte mit einer Serie von Attosekunden-Laserpulsen im fernen Ultraviolettbereich. Dabei konnte die Dissoziation über zwei Wege erfolgen: Bei direkter Ionisation wurde ein Photoelektron freigesetzt und das zweite Elektron in einen angeregten, ungebundenen Zustand des H2+-Molekülions befördert. Dieser Zustand (u) hatte ‚ungerade‘ Symmetrie, d. h. die Wellenfunktion des Elektrons besaß am Ort der beiden Protonen jeweils ein unterschiedliches Vorzeichen. Eine weitere Möglichkeit war die Bildung eines doppelt angeregten Zustands (Q), der über Autoionisation in den gebundenen Grundzustand (g) von H2+ zerfiel. Dieser hatte ‚gerade‘ Symmetrie ohne Vorzeichenwechsel der Wellenfunktion.

Beide Wege sind ununterscheidbar, wenn sie sowohl für das Elektron wie für die Fragmente (Proton und Wasserstoffatom) die gleichen Energien liefern. In diesem Fall wird das System durch eine Überlagerung der Zustände (u) und (g) beschrieben – quasi eine molekulare ‚Schrödinger-Katze‘.

Je nachdem, wie die Überlagerung erfolgte, konnte das Elektron am dem einen oder anderen Kern lokalisiert werden – dabei schwang es zunächst zwischen den beiden Kernen hin und her. Mit welcher Wahrscheinlichkeit es schließlich an welchem Kern zu finden war, bestimmte die Dynamik des Molekülaufbruchs.

Abb.: Asymmetrie der relativen Emissionsrichtung von Elektron und Proton, rötliche Farben: gleiche Richtung bevorzugt; bläuliche Farben: entgegengesetzte Richtung bevorzugt, in Abhängigkeit von der kinetischen Energie des Elektrons Ee und der Fragmentationsenergie Ek = zwei mal kinetische Energie des Protons. (Bild: MPIK)

Abb.: Asymmetrie der relativen Emissionsrichtung von Elektron und Proton, rötliche Farben: gleiche Richtung bevorzugt; bläuliche Farben: entgegengesetzte Richtung bevorzugt, in Abhängigkeit von der kinetischen Energie des Elektrons Ee und der Fragmentationsenergie Ek = zwei mal kinetische Energie des Protons. (Bild: MPIK)

Alle Teilchen des Systems waren miteinander verschränkt: Nach Absorption des Photons musste es ungerade Symmetrie haben. War also H2+ im Zustand (u) musste das freie Elektron in einem geraden Zustand sein und umgekehrt. Die Lokalisierung des gebundenen Elektrons bestimmte, in welcher Richtung das Proton beobachtet wurde. Dieses „erinnerte“ sich sozusagen, welche Richtung das freie Elektron eingeschlagen hatte. Je nachdem, wie sich das System entwickelte, konnten Elektron und Proton vorzugsweise in der gleichen bzw. in entgegengesetzter Richtung beobachtet werden. Diese Asymmetrie war durch die Wahl der Energien von Elektron und Proton festgelegt. Für eine gegebene Frequenz des Lasers und eine bestimmte Energie des Elektrons (bzw. Protons) ließ sich also vorhersagen, ob das Proton (bzw. Elektron) eher in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung fliegen würde.

Die Heidelberger Physiker haben ein einfaches Modell entwickelt, mit dem sie sowohl die Dynamik des Molekülaufbruchs als auch die Lokalisierung des gebunden Elektrons beschreiben können. Dieses stimmt, was das Vorzeichen der Asymmetrie angeht, sehr gut mit dem Experiment überein. Lediglich die Stärke der Asymmetrie lässt sich damit nicht berechnen. Hierfür hat eine Theoriegruppe der Autonomen Universität Madrid eine umfassende Rechnung durchgeführt, welche das qualitative Resultat des einfachen Modells bestätigt und die beobachtete Asymmetrie gut wiedergibt.

Das Verhalten dieses verschränkten Quantensystems ist durch die Symmetrie und seine zeitliche Entwicklung nach Beschuss mit dem UV-Laser vollständig bestimmt. Mittels eines zweiten Laserpulses mit variabler Verzögerung könnte die Asymmetrie durch eine Kontrolle der elektronischen Verschränkung direkt manipuliert werden. Dies wollen die Forscher in weiteren Experimenten untersuchen.

MPIK / PH

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