Gefilmt: Wie ein Wasserstoff-Molekül schwingt

Es ist winzig klein und besteht nur aus zwei Protonen, zwei Neutronen und zwei Elektronen. Ein bisher unerreicht genauer Einblick in die Dynamik eines schweren Wasserstoff-Moleküls (Deuterium) gelang nun Physikern vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Schwingung in einem Deuterium-Molekül
Schwingung in einem Deuterium-Molekül

Heidelberg - Sie haben die Schwingungs- und Drehbewegung der Kerne in einem Wasserstoffmolekül als quantenmechanisches Wellenpaket erstmals auf einer extrem kurzen Zeitskala in Raum und Zeit sichtbar gemacht. Über ihre Molekülkamera berichten sie im Fachblatt "Physical Review Letters".

Mit extrem kurzen und intensiven Laserpulsen fotografierten die Forscher jeweils einzelne Stadien des Moleküls. Diese Einzelbilder setzten sie danach zu einem kompletten Schwingungsfilm zusammen. Da diese Moleküle zu klein sind, um mit Lichtmikroskopen beobachtet zu werden, griffen die Wissenschaftler auf die so genannten Pump-Probe-Technik zurück.

Dabei werden die Moleküle erst mit einem "Pump"-Laserpuls angestoßen und danach mit einem "Probe"-Laserpuls vermessen. Um die Belichtungszeit für diese Aufnahmen kurz genug zu halten, strahlten die Laser nur sechs bis sieben Femtosekunden lang. Zum Vergleich: Licht, das in einer Sekunde die Erde etwa achtmal umrunden kann, kommt in sieben Femtosekunden nur etwa zwei tausendstel Millimeter weit.

Quantenmechanisch gesehen, entsprechen die schwingenden Deuterium-Kerne einem Wellenpaket, das als kompaktes System startet und nach einer gewissen Zeit auseinander läuft. Zu Anfang ist die gemessene Bewegung des Wellenpakets (und damit der Kerne) noch gut lokalisiert und kompakt. Nach etwa 100 Femtosekunden verschmiert die Struktur. Diesen so genannten "Kollaps des Wellenpakets" konnten die Physiker in Raum und Zeit abbilden. Obendrein maßen sie, dass sich das Wellenpaket nach etwa 400 Femtosekunden wieder sammelt. In weiteren Experimenten wollen die Wissenschaftler chemische Reaktionen größerer Moleküle manipulieren und steuern. In den Heidelberger Labors werden solche Experimente bereits am Methan-Molekül durchgeführt.