Wenn sich
in chemischen Reaktionen Moleküle bilden oder umgekehrt molekulare Bindungen
gelöst werden, ist dies
normalerweise durch komplexe Prozesse bestimmt, die sich einer direkten
Beobachtung weitgehend entziehen. Manche dieser Prozesse benötigen Energie
(endotherme Reaktionen), andere wiederum setzen Energie frei (exotherme
Reaktionen). Die großen Fortschritte bei der Erforschung ultrakalter atomarer
und molekularer Gase ermöglichen es nun erstmals, elementare chemische
Reaktionen vollständig kontrolliert zu realisieren, so dass sich dabei alle
beteiligten Teilchen in einem genau definierten Quantenzustand befinden.
Innsbrucker Quantenphysikern um Rudolf Grimm ist es gemeinsam mit
amerikanischen Forschern nun erstmals gelungen, eine so genannte
Austauschreaktion in einem Quantengas direkt zu beobachten und auch energetisch
zu steuern. „Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, dass die kontrollierte
Reaktion ultrakalter Moleküle möglich ist“, freut sich Grimm gemeinsam mit
seinem Team.
Reaktion
direkt beobachtet
Die
Wissenschaftler fangen dazu Cäsiumatome in einer Laserfalle ein und kühlen sie
stark ab. Durch die Ausnutzung einer Feshbach-Resonanz bildet ein Teil der
Atome paarweise Moleküle, sodass eine ultrakalte Teilchenwolke aus rund 4.000
Molekülen und 30.000 Atomen entsteht. Mit einem Mikrowellenimpuls werden die
Atome in einen anderen Quantenzustand versetzt, ohne dass dadurch die Moleküle
verändert werden. An diese Mischung aus Molekülen (A+A) und Atomen (B) legen
die Experimentalphysiker ein Magnetfeld an, mit dem sie die Bindungsenergie der
Moleküle sehr genau steuern können. Stossen die Moleküle und Atome nun
miteinander zusammen, kommt es ab einer bestimmten Bindungsenergie zu einer
einfachen Austauschreaktion. Die ursprünglichen Moleküle zerfallen zu Atomen
(A) und es entstehen neue Moleküle (A+B). „Weil die Energie, die bei diesem
exothermen Prozess frei wird, äußerst gering ist, verbleiben die
Reaktionsprodukte in unserer Laserfalle“, erklärt Rudolf Grimm. „So konnten wir
die chemische Reaktion erstmals direkt beobachten.“
Führend im
Forschungsfeld Quantengase
Die Forschungsgruppe
um den Wittgenstein-Preisträger Rudolf Grimm vom Institut für
Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik
und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
(ÖAW) ist federführend bei der Erforschung von ultrakalten Quantengasen. So
gelang es ihr 2002 erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen
herzustellen. Das erste Bose-Einstein-Kondensat aus Molekülen sowie ein
Fermi-Kondensat folgten. Heute sind die Quantenphysiker in der Lage, auch
komplexere Moleküle in ultrakalten Quantengasen herzustellen. „Hier tut sich
ein ganz neues Forschungsfeld auf“, erklärt der Grundlagenforscher Grimm, „in
dem wir mit Hilfe von ultrakalten Quantengasen sehr kontrolliert chemische
Reaktionen in ihrer ganzen Vielfalt studieren werden können.“