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Quantenchemie: Reaktionen zwischen ultrakalten Molekülen kontrolliert

Molekulares Gas
Chemische Reaktionen finden statt, wenn Moleküle oder Atome zusammenstoßen. Und dies ist vornehmlich bei höheren Temperaturen der Fall. Aber auch nahe dem absoluten Nullpunkt reagieren sie dank quantenmechanischer Effekte noch miteinander – obwohl sie nahezu still stehen. Deborah Jin vom University of Colorado in Boulder und ihre Kollegen fanden nun einen Weg, um die Reaktionsrate zu kontrollieren.

In einer optischen Falle kühlten die Wissenschaftler Moleküle aus jeweils einem Kalium- sowie einem Rubidiumatom auf unter ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Alle Verbindungen nehmen in einem solchen ultrakalten Gas ihren Grundzustand ein und Bewegungen, elektronische Energieniveaus, Vibrationen, Rotationen sowie Kernspins der Moleküle lassen sich nun präzise kontrollieren.

Molekulares Gas | Das Bild zeigt ein molekulares Gas nahe dem absoluten Nullpunkt. Alle Moleküle darin befinden sich in ihrem niedrigsten möglichen Energiezustand und wurden gerade aus einer optischen Falle – erzeugt durch Laser – entlassen. Dargestellt ist die räumliche Verteilung der Moleküle, wobei die jeweiligen Höhen beziehungsweise Farben die Gasdichte widerspiegeln.
Als Jin und ihr Team überprüften, wie viele Moleküle im Lauf der Zeit aus dem eingesperrten Gas verschwanden, fanden sie darin Hinweise auf Wärme erzeugende Reaktionen: Zwei Kalium-Rubidium-Paare tauschen ihre Atome und bilden so K2 und Rb2. Die freigesetzte Wärme verriet den Forschern, ob und wie viele Moleküle unter diesen ultrakalten Bedingungen noch miteinander in Wechselwirkung treten.

Zum Erstaunen der Wissenschaftler beeinflussen selbst winzige Manipulationen – wie etwa das Umdrehen eines einzelnen Kernspins – die chemische Reaktionsrate erheblich. Denn bei den Molekülen handelt es sich um so genannte Fermionen und somit unterliegen sie dem Pauli-Prinzip: Befinden sich alle Teilchen im gleichen quantenmechanischen Zustand, so dürfen sie nicht zur selben Zeit denselben Ort besetzen und meiden sich daher. Ändert sich nun aber bei einigen Molekülen die Spinausrichtung und damit der Quantenzustand, werden Kollisionen nicht länger unterdrückt.

Wird beispielsweise die Hälfte der Moleküle in einen anderen Spinzustand versetzt, reagieren die Teilchen zehn- bis hundertmal schneller miteinander. Die Reaktionsraten lassen sich damit also kontrollieren. Zudem scheinen Moleküle trotz extrem niedrigen Temperaturen immer noch der gewöhnlichen Quantenstatistik sowie Quantengesetzen zu gehorchen. (mp)

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  • Quellen
Ospelkaus, S. et al.: Quantum-State Controlled Chemical Reactions of Ultracold Potassium-Rubidium Molecules. In: Science 327, S. 853–857, 2010.

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