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Ultrakalte chemische Prozesse: Beispiellose Vermessung auf Quantenniveau gelungen

Tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich

21.11.2017

Institut für Quantenmaterie, Universität Ulm

Eine graphische Darstellung zur Dreikörperrekombination mit möglichen Produkten. Die roten Kugeln repräsentieren Rubidium-Atome, die blauen Wolken die Bindung zwischen einzelnen Atomen.

Institut für Quantenmaterie, Universität Ulm

Paul-Falle, die zum Fangen und Zählen der zustands-selektiv-ionisierten Moleküle verwendet wird. Im Zentrum befindet sich auch die Dipolfalle zum Fangen der Atome (unsichtbar).

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 Forschungsergebnisse tragen zu einem vertieften Verständnis ultrakalter chemischer Prozesse bei und könnten in Zukunft die gezielte Steuerung von Reaktionen auf Quantenniveau ermöglichen. Der Fachartikel der Forscher von den Universitäten Ulm und Hannover sowie von US-Forschungseinrichtungen ist im Journal „Science“ erschienen.

Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit haben die Forscher Theorie mit Experiment kombiniert und exemplarisch auf eine der fundamentalsten chemischen Reaktionen gesetzt, die so genannte 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 Professor Johannes Hecker Denschlag, Leiter des Instituts für Quantenmaterie, den Molekülzustand in allen Details unmittelbar nach der 3-Partikel-Kollision bestimmen.

Die experimentellen Messungen fanden an der Universität Ulm statt: In einer Ultravakuumapparatur wurde das in einer Falle gefangene Gas aus Rubidium-Atomen 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.

Originalveröffentlichung:

Joschka Wolf, Markus Deiß, Artjom Krükow, Eberhard Tiemann, Brandon P. Ruzic, Yujun Wang, José P. D’Incao, Paul S. Julienne, and Johannes Hecker Denschlag; "State-to-state chemistry for three-body recombination in an ultracold Rubidium gas"; Science; 17 Nov 2017, Vol. 358, Issue 6365, pp. 921-924

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