Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Quantum Rotation: Physiker haben den Quantendreh heraus

19.05.2015

Forschern der Universität Innsbruck gelang es erstmals, einen elementaren Stoßprozess zwischen Atomen und geladenen Molekülen bei tiefen Temperaturen präzise zu vermessen und zu beschreiben. Das Experiment, bei dem nur ein einziges Quant an Energie in die Drehbewegung des Moleküls übertragen wird, stimmt sehr genau mit theoretischen Berechnungen überein. Darüber berichten die Physiker um Roland Wester in der Fachzeitschrift Nature Physics.

Während sich die Atome und Moleküle in einem heißen Gas schnell und chaotisch bewegen, schränkt Kälte die ungeordneten Bewegungen mehr und mehr ein. Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt ermöglichen sorgfältige Präzisionsmessungen an kalten Molekülen, welche bei diesen Bedingungen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen.


Das Herzstück der Ionenfallen-Apparatur, in der Vakuumkammer befindet sich die eigentliche Ionenfalle.

Foto: Roland Wester


Schematische Darstellung der Ionenfalle, in der die kalten geladenen Moleküle mit Hilfe von Lasern untersucht werden.

Grafik: Daniel Hauser

Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und Licht treten dann nicht mehr bei beliebigen Energien der Teilchen auf, sondern nur wenn die Anregung von Drehungen und Schwingungen der Moleküle bei genau bestimmten Werten erfolgt.

Forschern des Instituts für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck um Professor Roland Wester ist es nun erstmals gelungen, einen elementaren Wechselwirkungsprozess im Labor zu verwirklichen, bei dem durch den Stoß eines Atoms auf ein Hydroxidion präzise jenes Quant an Energie zugeführt wird, bei dem ein geladenes Molekül aus der Ruhe in den ersten Drehungszustand versetzt wird.

Der Prozess, eine solche reine Änderung der Rotation in Gang zu setzen und auch wieder zu stoppen, konnte dabei nicht nur genau vermessen werden. Er wird durch die präzise Übereinstimmung mit theoretischen quantenmechanischen Berechnungen nun auch gut verstanden.

„Ein Quantum Rotation, und sonst nichts“

Die Innsbrucker Physiker beschreiben ihr Experiment in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics. Daniel Hauser, der federführende Autor der Studie, berichtet über mögliche Anwendungen dieser Forschung: „Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis grundlegender Abläufe in verschiedenen Forschungsbereichen bei.

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.“

Das Experiment an der Universität Innsbruck besteht aus einer Ionenfalle, in der die kalten geladenen Moleküle mit Hilfe von Lasern untersucht werden. Negativ geladene Hydroxidionen, die aus einem Atom Sauerstoff und einem Atom Wasserstoff oder Deuterium zusammengesetzt sind, werden in der Falle eingefangen, auf etwa minus 260 Grad Celsius gekühlt und können mehrere Minuten lang untersucht werden.

Heliumatome regen dann durch Stöße die Moleküle zu elementaren quantisierten Drehungen an, oder stoppen die Rotation bereits angeregter Moleküle wieder. Mit Hilfe des Lasers werden die Wahrscheinlichkeiten für diese eine An- oder Abregung analysiert. „Das Elegante bei diesem Prozess ist, dass es sonst keine Möglichkeit gibt, Energie in das System hineinzubringen,“ erklärt Roland Wester. „Es gibt genau dieses Quantum Rotation, und sonst nichts.“

Die Untersuchung grundlegender chemischer Prozesse an kalten Molekülen und die Entwicklung neuer Untersuchungsmethoden sind zentrale Forschungsthemen der Arbeitsgruppe um Roland Wester am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik. So werden aktuell neue Möglichkeiten der Anwendung von Terahertzstrahlen zur Manipulation kalter Moleküle erforscht. Die Arbeiten werden unter anderem durch das European Research Council (ERC) und den österreichischen Wissenschaftsfond FWF gefördert.


Publikation: Rotational state-changing cold collisions of hydroxyl ions with helium. Daniel Hauser, Seunghuyun Lee, Fabio Carelli, Steffen Spieler, Olga Lakhmanskaya, Eric S. Endres, Sunil S.Kumar, Franco Gianturco, Roland Wester. Nature Physics 2015.
DOI: 10.1038/nphys3326

Rückfragehinweis:
Univ.-Prof. Dr. Roland Wester
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507-52620
E-Mail: roland.wester@uibk.ac.at
Web: http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nphys3326 - Rotational state-changing cold collisions of hydroxyl ions with helium. Daniel Hauser, Seunghuyun Lee, Fabio Carelli, Steffen Spieler, Olga Lakhmanskaya, Eric S. Endres, Sunil S.Kumar, Franco Gianturco, Roland Wester. Nature Physics 2015
http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/ - Arbeitsgruppe Roland Wester

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt
22.05.2017 | Universität Basel

nachricht Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert
22.05.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie