Schematische Darstellung der Ionenfalle, einen schrägen Stab in der Mitte, außen herum sind kürzere Stäbe und unterschiedlich große blasenähnliche Objekte angeordnet.

Quantisierte Drehungen von Molekülen präzise vermessen

Forscher der Universität Innsbruck haben erstmals einen elementaren Stoßprozess zwischen Atomen und geladenen Molekülen bei tiefen Temperaturen präzise vermessen und beschrieben. Das Experiment, bei dem ein Quant an Energie in die Drehbewegung des Moleküls übertragen wird, stimmt genau mit theoretischen Berechnungen überein. Über ihre Ergebnisse berichten die Physiker in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Die Ionenfallen-Apparatur ist ein zylinderförmiges Gerät mit einem Guckloch oben in der Mitte.
Ionenfalle

Während sich Atome und Moleküle in einem heißen Gas schnell und chaotisch bewegen, schränkt Kälte die ungeordneten Bewegungen ein. Bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts treten Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und Licht dann nicht mehr bei beliebigen Energien der Teilchen auf – stattdessen gelten die Gesetze der Quantenmechanik: Die Anregung von Drehungen und Schwingungen der Moleküle erfolgt nur bei bestimmten Werten. Die Forscher um Daniel Hauser haben jetzt einen elementaren Wechselwirkungsprozess im Labor verwirklicht, bei dem durch den Stoß eines Atoms auf ein Molekül genau jenes Quant an Energie zugeführt wird, bei dem das Molekül aus der Ruhe in den ersten Drehungszustand versetzt wird.

In ihrem Experiment fingen die Wissenschaftler dazu negativ geladene Hydroxid-Ionen, die aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoff- oder Deuteriumatom bestehen, in einer Ionenfalle ein und kühlten die Moleküle auf etwa minus 260 Grad Celsius ab. Anschließend regten Heliumatome die Moleküle durch Stöße entweder zu elementaren quantisierten Drehungen an oder stoppten die Rotation bereits angeregter Moleküle. Diese Prozesse konnte das Team nicht nur genau vermessen, die Ergebnisse werden durch die präzise Übereinstimmung mit theoretischen quantenmechanischen Berechnungen nun auch gut verstanden.

Die Wissenschaftler sehen mehrere mögliche Anwendungen für ihre Forschung: „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“, erläutert Hauser als Erstautor der Studie.