22.07.2020 - Harvard University

Ultrakaltes Rätsel gelöst

Durch die Manipulation ultrakalter Moleküle mitten in der chemischen Reaktion knacken Forscher einen molekularen Akt des Verschwindens

In einer berühmten Parabel begegnen drei blinde Männer zum ersten Mal einem Elefanten. Jeder berührt einen Teil - den Rüssel, das Ohr oder die Seite - und schließt daraus, dass das Wesen eine dicke Schlange, ein Fächer oder eine Wand ist. Dieser Elefant, sagte Kang-Kuen Ni, ist wie die Quantenwelt. Wissenschaftler können jeweils nur eine Zelle dieser riesigen, unbekannten Kreatur erforschen. Nun hat Ni einige weitere enthüllt, die es zu erforschen gilt.

Alles begann im vergangenen Dezember, als sie und ihr Team einen neuen Apparat fertig stellten, der die niedrigsten chemischen Reaktionen bei niedrigsten Temperaturen aller derzeit verfügbaren Technologien erreichen konnte und dann die kältesten Bindungen in der Geschichte der molekularen Kopplung zerbrach und bildete. Aber ihre ultrakalten Reaktionen verlangsamten die Reaktion auch unerwartet auf eine träge Geschwindigkeit, so dass die Forscher einen Echtzeit-Einblick in das Geschehen während einer chemischen Umwandlung erhielten. Nun, obwohl Reaktionen als zu schnell gelten, um sie zu messen, hat Ni nicht nur die Lebensdauer dieser Reaktion bestimmt, sondern dabei auch ein ultrakaltes Rätsel gelöst.

Mit ultrakalter Chemie kühlten Ni, die Morris Kahn-Professorin für Chemie und chemische Biologie sowie für Physik, und ihr Team zwei Kalium-Rubidium-Moleküle auf knapp über dem absoluten Nullpunkt ab und fanden das "Zwischenprodukt", den Raum, in dem sich die Reaktanten in Produkte umwandeln, für etwa 360 Nanosekunden (immer noch Milliardstel Sekunden, aber lang genug). "Es ist nicht der Reaktant. Es ist nicht das Produkt. Es ist etwas dazwischen", sagte Ni. Diese Transformation zu beobachten, wie das Berühren der Seite eines Elefanten, kann ihr etwas Neues darüber verraten, wie Moleküle, die Grundlage von allem, funktionieren.

Aber sie haben nicht nur zugesehen.

"Dieses Ding lebt so lange, dass wir jetzt tatsächlich mit ihm herumspielen können... mit Licht", sagte Yu Liu, eine Doktorandin an der Graduate School of Arts and Sciences und Erstautorin ihrer in Nature Physics veröffentlichten Studie. "Mit typischen Komplexen, wie denen in einer Raumtemperaturreaktion, könnte man nicht viel anfangen, weil sie so schnell zu Produkten dissoziieren.

Wie die Traktorstrahlen von Star Trek können Laser Moleküle einfangen und manipulieren. In der ultrakalten Physik ist dies die gängige Methode, um Atome einzufangen und zu kontrollieren, sie in ihrem Quantengrundzustand zu beobachten oder sie zur Reaktion zu zwingen. Doch als die Wissenschaftler von der Manipulation von Atomen auf die Manipulation von Molekülen übergingen, geschah etwas Merkwürdiges: Die Moleküle begannen aus dem Blickfeld zu verschwinden.

"Sie bereiteten diese Moleküle vor, in der Hoffnung, viele der von ihnen versprochenen Anwendungen zu realisieren, zum Beispiel den Bau von Quantencomputern - aber stattdessen sehen sie nur Verlust", sagte Liu.

Alkaliatome, wie das Kalium und Rubidium, die Ni und ihr Team untersuchen, lassen sich im ultrakalten Bereich leicht abkühlen. 1997 erhielten die Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik für die Kühlung und das Einfangen von Alkaliatomen im Laserlicht. Aber Moleküle sind schmächtiger als Atome: Sie sind nicht nur ein kugelförmiges Ding, das da sitzt, sagte Liu, sie können rotieren und vibrieren. Als sie zusammen im Laserlicht gefangen waren, stießen die Gasmoleküle wie erwartet gegeneinander, aber einige verschwanden einfach.

Die Wissenschaftler spekulierten, dass der molekulare Verlust auf Reaktionen zurückzuführen war - zwei Moleküle stießen zusammen und verwandelten sich, anstatt sich in verschiedene Richtungen zu bewegen, in neue Substanzen. Aber wie?

"Was wir in dieser Arbeit gefunden haben, beantwortet diese Frage", sagte Liu. "Genau das, was man benutzt, um das Molekül einzusperren, ist das Töten des Moleküls." Mit anderen Worten, es ist die Schuld des Lichts.

Als Liu und Ni diesen Zwischenkomplex - die Mitte ihrer chemischen Reaktion - mit Hilfe von Lasern manipulierten, entdeckten sie, dass das Licht die Moleküle aus ihrem typischen Reaktionsweg heraus und in einen neuen hinein zwang. Ein Molekülpaar, das als Zwischenkomplex zusammengeklebt ist, kann "photoangeregt" werden, anstatt ihrem traditionellen Weg zu folgen, sagte Liu. Alkalimoleküle sind besonders anfällig, weil sie so lange in ihrem Zwischenkomplex leben.

"Wenn man Verluste eliminieren will", so Liu, "muss man grundsätzlich das Licht ausschalten. Man muss einen anderen Weg finden, diese Dinge einzufangen." Magnete zum Beispiel oder elektrische Felder können auch Moleküle einfangen. "Aber das alles ist technisch anspruchsvoll", sagte Liu. Licht ist einfach einfacher.

Als nächstes möchte Ni sehen, wohin diese Komplexe gehen, wenn sie verschwinden. Bestimmte Wellenlängen des Lichts (wie das Infrarot, mit dem das Team ihre Kalium-Rubidium-Moleküle anregte) können unterschiedliche Reaktionswege erzeugen - aber niemand weiß, welche Wellenlängen Moleküle in welche neuen Formationen schicken.

Sie wollen auch untersuchen, wie der Komplex in verschiedenen Transformationsstadien aussieht. "Um seine Struktur zu untersuchen", so Liu, "können wir die Frequenz des Lichts variieren und sehen, wie der Grad der Anregung variiert. Von dort aus können wir herausfinden, wo die Energieniveaus dieses Dings liegen, was Aufschluss über sein quantenmechanisches Konstrukt gibt".

"Wir hoffen, dass dies als Modellsystem dienen wird", sagte Ni, ein Beispiel dafür, wie Forscher andere Tieftemperaturreaktionen erforschen können, an denen Kalium und Rubidium nicht beteiligt sind.

"Diese Reaktion ist, wie viele andere chemische Reaktionen, eine Art Universum für sich", sagte Liu. Mit jeder neuen Beobachtung enthüllt das Team ein winziges Stück des riesigen Quantenelefanten. Da es im bekannten Universum eine unendliche Anzahl chemischer Reaktionen gibt, liegt noch ein langer, langer Weg vor uns.

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