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Quantentechnik Chemische Prozesse auf Quantenniveau vermessen

| Redakteur: Rebecca Vogt

Physikern ist bei ultrakalten chemischen Prozessen eine beispiellose Vermessung auf Quantenniveau gelungen. Ihre Ergebnisse erlauben ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen, das zukünftig die Steuerung von Reaktionsprozessen auf Quantenniveau ermöglichen könnte.

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Eine Aufnahme der Paul-Falle, die zum Fangen und Zählen der Zustands-selektiv-ionisierten Moleküle verwendet wird.
Eine Aufnahme der Paul-Falle, die zum Fangen und Zählen der Zustands-selektiv-ionisierten Moleküle verwendet wird.
(Bild: Institut für Quantenmaterie, Universität Ulm)

Die deutsch-amerikanische Forschergruppe um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag hat bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit Theorie und Experiment kombiniert. Dabei konnte sie chemische Prozesse mit einer nie da gewesenen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Auf diese Weise gelang es den Forschern erstmals, die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg – unmittelbar nach der Molekülbildung – nachzuvollziehen. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis ultrakalter chemischer Prozesse möglich, das nach Ansicht der Forscher zukünftig genutzt werden könnte, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau gezielt zu steuern.

Molekülzustand lässt sich erstmals detailliert bestimmen

Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit haben die Forscher exemplarisch auf eine der fundamentalsten chemischen Reaktionen gesetzt – die sogenannte 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 Johannes Hecker Denschlag, Leiter des Instituts für Quantenmaterie an der Universität Ulm, den Molekülzustand in allen Details unmittelbar nach der Rekombination bestimmen.

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Ultrakaltes Gas bildet genau definierte quantenmechanische Wolke

Die experimentellen Messungen fanden an der Universität Ulm statt. In einer Ultravakuumapparatur wurde dort 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 in der Folge 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 Johannes Hecker Denschlag.

An Arbeit der Forscher anknüpfen

Die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Arbeiten der Forscher seien wegweisend für die Untersuchung von weiteren ultrakalten chemischen Prozessen. „In vielen Laboren ist die erforderliche experimentelle Ausstattung bereits vorhanden, sodass weitere Forschergruppen an unsere Arbeit anknüpfen können. Die experimentellen Ergebnisse wiederum fordern die Theoretiker heraus, ihre Modelle und Theorien beständig weiterzuentwickeln“, sagt Johannes 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. Unterstützt wurden die Forscher bei ihrer Arbeit unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

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