Molekülbildung unter der Lupe

Quantenzustandsaufgelöste Vermessung der Produktmoleküle einer Dreikörper-Rekombination

  • Abb.1: Dreikörper-Rekombinationsprozess und zustandsselektive Ionisation von Molekülen. (1) Drei Atome kommen sich so nahe, dass eine chemische Reaktion stattfinden kann. (2) Bei der Reaktion wird ein Molekül gebildet, welches zusammen mit dem verbleibenden Atom die freiwerdende Bindungsenergie abtransportiert. (3) Mithilfe eines Lasers wird das Molekül durch einen optischen Übergang resonant angeregt. (4) Ein zweiter Laser überführt das angeregte Molekül in ein molekulares Ion, welches dann sehr effizient nachgewiesen werden kann.Abb.1: Dreikörper-Rekombinationsprozess und zustandsselektive Ionisation von Molekülen. (1) Drei Atome kommen sich so nahe, dass eine chemische Reaktion stattfinden kann. (2) Bei der Reaktion wird ein Molekül gebildet, welches zusammen mit dem verbleibenden Atom die freiwerdende Bindungsenergie abtransportiert. (3) Mithilfe eines Lasers wird das Molekül durch einen optischen Übergang resonant angeregt. (4) Ein zweiter Laser überführt das angeregte Molekül in ein molekulares Ion, welches dann sehr effizient nachgewiesen werden kann.
  • Abb.1: Dreikörper-Rekombinationsprozess und zustandsselektive Ionisation von Molekülen. (1) Drei Atome kommen sich so nahe, dass eine chemische Reaktion stattfinden kann. (2) Bei der Reaktion wird ein Molekül gebildet, welches zusammen mit dem verbleibenden Atom die freiwerdende Bindungsenergie abtransportiert. (3) Mithilfe eines Lasers wird das Molekül durch einen optischen Übergang resonant angeregt. (4) Ein zweiter Laser überführt das angeregte Molekül in ein molekulares Ion, welches dann sehr effizient nachgewiesen werden kann.
  • Abb. 2: Gemessene Verteilung der durch Dreikörper-Rekombination produzierten ­Moleküle in Abhängigkeit des Quantenzustands. Zu sehen ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Molekül in einem bestimmten Zustand gebildet wird, der charakterisiert ist durch die Vibrationsquantenzahl v des tiefsten Triplettpotentials und die Rotationsquantenzahl R. Eine weitere Aufschlüsselung nach Elektronspin- und Kernspinzustand ist hier nicht dargestellt.

Chemische Reaktionen begegnen uns im alltäglichen ­Leben. Sie sind einer der zentralen Prozesse in der Natur und ein Hauptstandbein unserer Industrie. Trotz intensiver Forschung sind Reaktionsmechanismen auf der fundamentalsten Ebene noch nicht vollständig verstanden.

Bisher war eine Untersuchung von Zwischen- und Endzuständen im quantenmechanischen Sinne kaum möglich. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Präparation und Detektion wohldefinierter quantenmechanischer Zustände experimentell schwer zugänglich ist. Diese Limitierungen können jedoch mittlerweile Schritt für Schritt überwunden werden. Hierbei haben sich ultrakalte Quantengase als hervorragende Modellsysteme erwiesen. Ultrakalt bedeutet, dass Atome mittels Laserkühlung und weiterer Kühlmethoden auf Temperaturen bis unter einem Mikrokelvin gekühlt werden. Bei diesen Temperaturen ist das Atomgas sehr gut kontrollierbar und die Atome können in einem genau definierten, quantenmechanischen Anfangszustand für die Reaktion präpariert werden. Ferner sind die Kollisionsenergien der Stoßpartner und ihre Wechselwirkungsstärke sehr gut einstellbar.
Moleküle sind im Allgemeinen sehr komplexe Objekte, die neben der Vibration und Rotation weitere innere Freiheitsgrade besitzen, wie Elektronen- und Kernspins. Alle diese Größen sind quantisiert und können durch einen Satz von Quantenzahlen beschrieben werden. Welche Rolle spielen nun alle diese Freiheitsgrade in einer Reaktion? Welche Quantenzahlen hat ein Molekül direkt nach seiner Bildung?

Kollisionen in ultrakalter Rubidium-Gaswolke

Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, wurde eine Methode entwickelt, mit der Moleküle nach Quantenzahlen aufgelöst nachgewiesen werden können [1]. Diese Methode beruht darauf, dass ein gebildetes Molekül direkt nach der Reaktion, abhängig vom gebildeten Quantenzustand, ionisiert und dann detektiert wird.

Mit Hilfe dieser Methode wurden die Produktmoleküle einer Dreikörper-Rekombination untersucht. Dazu wurde zunächst eine ultrakalte Gaswolke von etwa vier Millionen Rubidium-Atomen präpariert und in einer Falle aus Laserlicht gefangen. In einer solchen Wolke kollidieren hin und wieder spontan drei Atome (wie in Abb.

1.1 dargestellt), wobei sich ein Rb2-Molekül bilden kann (Abb. 1.2). Die Ionisation der gebildeten Moleküle erfolgte in zwei Stufen. Mit einem Laser wurden die Moleküle zustandsselektiv in einen bekannten, elektronisch angeregten Zwischenzustand überführt (Abb. 1.3). Von diesem aus wurden sie mithilfe eines weiteren Lasers ionisiert (Abb. 1.4). Anschließend wurden die einzelnen molekularen Ionen mit annähernd 100% Effizienz in einer Paul-Falle nachgewiesen. Neben ihrer hohen Selektivität ist ein weiterer Vorteil dieser Nachweismethode, dass sie praktisch frei von Hintergrundsignalen ist. Die Messungen (Abb. 2) zeigen, dass bei ultrakalten Reaktionen hauptsächlich Moleküle gebildet werden, die bezüglich der Vibration hoch angeregt und daher schwach gebunden sind. Tatsächlich entfallen 50% aller bei der Dreikörper-Rekombination produzierten Moleküle auf den Zustand mit der höchsten Vibrationsquantenzahl, v = 40 (siehe Abb. 2). Mit einer Bindungsenergie von nur 24 MHz · h ist dieser Zustand derjenige, der durch den größten Atomabstand charakterisiert ist (h ist das Planck‘sche Wirkungsquantum).

Aus Symmetriegründen können für das gegebene Atomgas nur Moleküle mit geraden Rotationsquantenzahlen produziert werden (Abb. 2). Im hier beschriebenen Experiment wurden nur Moleküle mit geringer Rotationsanregung von bis zu sechs Quanten (R = 6) beobachtet. Selbst diese Anregung ist jedoch bemerkenswert, da das Gesamtsystem der drei ursprünglich kollidierenden, ultrakalten Atome einen verschwindenden Rotationsdrehimpuls hatte. In einem klassischen Bild bekommt das neu gebildete Molekül, das zunächst nicht rotiert, am Ende der Reaktion noch einen asymmetrischen Stoß vom dritten Atom, der es zur Rotation anregt. Betrachtet man für eine feste Vibrationsanregung die Produktion von Molekülen in Abhängigkeit der Rotationsquantenzahl R, so zeigt sich kein monotones Verhalten (Abb. 2). Vielmehr unterliegt die Verteilung nach Rotationszuständen Schwankungen, die auf Interferenzeffekte zwischen Produktkanälen schließen lassen. Dadurch wird die Erzeugung von Molekülen in bestimmten Zuständen überhöht und in anderen Zuständen unterdrückt.

Interessanterweise scheinen sich in diesen Experimenten die Einstellungen der Elektronen- und Kernspins bei der Reaktion praktisch nicht zu verändern. Offensichtlich ist die effektive Wechselwirkung zwischen den Spins der beiden Atome, die bei der Bildung eines schwach gebundenen Moleküls typischerweise relativ weit voneinander entfernt sind, schwach. Dies könnte besonders auch an der speziellen Wahl des untersuchten 87Rb-Isotops liegen. Dieses ist dafür bekannt, dass bei zweiatomigen Kollisionen Spinflips unterdrückt sind.

Ausblick

Es wird daher interessant sein, diese Untersuchungen auf tiefer gebundene Zustände, andere Atom- und Molekülsorten sowie weitere chemische Reaktionsprozesse auszudehnen. Die Versuchsanordnung und der Nachweis sind dafür hinreichend flexibel und die Grundvoraussetzungen für solche Experimente sind bereits in einigen Laboren weltweit vorhanden. Es ist sogar sehr gut denkbar, dass die entwickelten Methoden in abgewandelter Form auch bei thermischen Ensembles bei Raumtemperatur  Anwendung finden, indem z. B. der Nachweisprozess unempfindlich gegen die Dopplerverschiebung gemacht wird. Eine große Vision ist es, eines Tages Reaktionsabläufe so gut zu verstehen, dass sie auf dem Quantenniveau gesteuert werden können, etwa mithilfe von externen elektromagnetischen Feldern oder der Interferometrie von Reaktionskanälen. So könnten ungewollte Reaktionsprodukte unterdrückt und die Effizienz für erwünschte Produkte gesteigert werden.

Autoren
Joschka Wolf1, Markus Deiß1 und Johannes Hecker Denschlag1

Zugehörigkeit
1Institut für Quantenmaterie, Universität Ulm, Deutschland

Kontakt  
Prof. Johannes Hecker Denschlag

Institut für Quantenmaterie
Universität Ulm,
Ulm, Deutschland
Johannes.Denschlag@uni-ulm.de

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 2017, 358, 921; DOI: 10.1126/science.aan8721.

Pressemitteilung:

Ultrakalte chemische Prozesse. Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau.

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Universität Ulm
Helmholtzstr. 8 - 20
89081 Ulm
Germany
Telefon: +49 731 500 65612

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