„Ein Quantum Rotation, und sonst nichts“

  • 18. May 2015

Elementarer Stoßprozess zwischen Atomen und gela­denen Mole­külen bei tiefen Tempe­ra­turen präzise ver­messen.

Das Herzstück der Ionenfallen-Apparatur, in der Vakuumkammer befindet sich die eigentliche Ionenfalle. (R. Wester, LFU)

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.“

Schematische Darstellung der Ionenfalle, in der die kalten geladenen Moleküle mit Hilfe von Lasern untersucht werden. (Bild: D. Hauser)

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

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