Forschung

Ungleiches Paar

25.05.2022 - Molekülbindung zwischen Ion und Rydberg-Atom beobachtet.

Wenn einzelne Teilchen wie Atome und Ionen Bindungen miteinander eingehen, entstehen daraus Moleküle. Solche Bindungen entstehen zum Beispiel, wenn zwei Teilchen unter­schiedlich elektrisch geladen sind und sie sich daher anziehen. Das Molekül, das die Forscher der Universität Stuttgart nun beobachtet haben, weist dabei eine Besonderheit auf: Es besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Ion und einem neutralen Atom, welches sich in einem Rydberg­zustand befindet. Ein solches Rydberg-Atom ist auf ein Tausend­faches seiner üblichen Größe angewachsen. Die Anbindung wird möglich, weil die Ladung des Ions das neutrale Rydberg­atom in einer ganz spezifischen Weise verformt.

 

Zum Nachweis und der Untersuchung des Moleküls präparierten die Forscher eine ultrakalte Atomwolke aus Rubidium, die sie bis nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlten. Nur bei diesen tiefen Temperaturen reicht die Kraft für eine Bindung. In solchen ultra­kalten Wolken werden gezielt einzelne Atome mit Hilfe von Lasern ionisiert und so der erste Baustein des Moleküls – das Ion – präpariert. Weitere Laserstrahlen versetzen ein zweites Atom in den Rydbergzustand.

Dieses Riesenatom wird durch das elektrische Feld des Ions verformt. Interessanterweise kann die Verformung je nach Abstand der beiden Teilchen sowohl anziehend als auch abstoßend sein, sodass die Bindungs­partner um einen Gleichgewichtsabstand pendeln. Dieser Mechanismus bewirkt die Molekül­bindung. Der Abstand zwischen den beiden Bindungs­partnern ist ungewöhnlich groß und beträgt ungefähr ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares.

Möglich wurde die Beobachtung durch ein besonderes Ionenmikroskop, das die Forschungs­gruppe am 5. Physikalischen Institut in enger Zusammen­arbeit mit den Werkstätten der Universität Stuttgart selbst entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen hat. Im Gegensatz zu üblichen Mikroskopen arbeitet dieses nicht mit Licht, sondern nutzt die Möglichkeit, geladene Teilchen durch elektrische Felder in ihren Bewegungen zu beeinflussen. Die Position der Teilchen kann damit vergrößert abgebildet werden. „Mit diesem Mikroskop konnten wir das frei fliegende Molekül und seine Bestand­teile direkt beobachten und sehen, wie dieses sich in unserem Experiment ausrichtet“, erklärt Nicolas Zuber, Doktorand am 5. Physikalischen Institut, die Ergebnisse.

Im nächsten Schritt soll dieses ungewöhnliche Molekül dazu verwendet werden, um dynamische Prozesse innerhalb des Moleküls zu untersuchen. Dabei kommt auch hier das Ionenmikroskop zum Einsatz, um Rotationen oder auch Vibrationen des Moleküls zu untersuchen. Aufgrund der schieren Größe und schwachen Bindung des Moleküls laufen diese Vorgänge sehr viel langsamer ab als in den sonst üblichen Molekülen. Die Forscher erhoffen sich, auf diese Weise detailliertere Kenntnisse über die innere Struktur des Moleküls zu erlangen.

U. Stuttgart / DE

 

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