Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ladungstrennung in einem Molekül aus zwei gleichen Atomen

25.11.2011
Die Größe macht´s

Physiker des 5. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart erbringen den ersten experimentellen Nachweis eines Moleküls aus zwei gleichen Atomen, das trotz hoher Symmetrie eine räumliche Ladungstrennung aufweist. Diese Beobachtung widerspricht der klassischen Lehrbuchmeinung, wie sie in vielen Physik- und Chemielehrbüchern beschrieben wird. Der von den Stuttgartern erbrachte Nachweis verbessert nicht nur das Verständnis von polaren Molekülen. Zukünftig könnten mit ultrakalten polaren Molekülen auch chemische Reaktionen einzelner Moleküle studiert und kontrolliert werden. Die Arbeit wurde in der renommierten Zeitschrift Science*) veröffentlicht.


Molekül aus zwei gleichen Atomen, das trotz hoher Symmetrie eine räumliche Ladungstrennung aufweist.
(Abbildung: Universität Stuttgart)

Ein dipolares Molekül entsteht durch eine Verschiebung des Ladungsschwerpunktes der negativ geladenen Elektronenwolke relativ zum positiven Kern, wodurch ein permanentes elektrisches Dipolmoment auftritt. Üblicherweise ist die Ursache dieser Ladungstrennung eine unterschiedlich starke Anziehungskraft der Kerne unterschiedlicher Elemente auf die negativen Elektronen. Daraus folgt, dass homonukleare Moleküle, also Moleküle aus gleichen Atomen, nach gängigem Verständnis aus Symmetriegründen kein Dipolmoment besitzen.

Bei den in der Gruppe von Prof. Tilman Pfau entdeckten homonuklearen Molekülen mit permanentem Dipolmoment handelt es sich um schwach gebundene Rydberg Moleküle, mit deren erstmaligen Erzeugung die Arbeitsgruppe 2009 weltweit für Aufsehen sorgte. Die Moleküle setzen sich aus zwei gleichen Atomen des Elements Rubidium zusammen, von denen sich eines in einem hoch angeregten elektronischen Zustand befindet, einem sogenannten Rydberg-Zustand. Die ungewöhnliche Bindung wird einzig durch das hochangeregte Rydberg-Elektron des angeregten Atoms vermittelt, das am zweiten Atom gestreut wird. Durch die Streuung des Rydberg-Elektrons am gebundenen Atom ändert sich jedoch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Rydberg-Elektrons leicht, was zu einer Störung der Kugelsymmetrie führt und ein Dipolmoment erzeugt. Aufgrund bisheriger theoretischer Behandlungen wurde kein Dipolmoment erwartet.

Ein normalerweise auftretender Austausch der Anregung zwischen den Atomen, der die Asymmetrie in der negativen Elektronenwolke aufheben würde, wird durch die für zweiatomige Moleküle riesige Größe (1000 mal größer als ein Sauerstoffatom) unterdrückt. Diese Moleküle erreichen nämlich die Größe eines Virus. Die Wahrscheinlichkeit, dass die elektronische Anregung von einem zum anderen Atom übergeht, ist daher so klein, dass sie statistisch nur einmal seit Bestehen des Universums stattgefunden hätte. Als Folge zeigen die homonuklearen Moleküle ein Dipolmoment. Zusätzlich muss die Molekülachse im Raum ausgerichtet sein, um ein gerichtetes Dipolmoment zu erzeugen. Aufgrund seiner Größe rotiert das Molekül so langsam, dass sich das Dipolmoment für einen Beobachter durch die Drehung auch nicht wieder zu null mittelt.

Der experimentelle Nachweis gelang den Stuttgarter Physikern in einer extrem kalten Atomwolke, indem sie die Energieverschiebung des dipolaren Moleküls im elektrischen Feld laserspektroskopisch gemessen haben. Zusammen mit theoretischen Physikern des Max-Plank-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden und des Harvard-Smithonian Center for Astrophysics in Cambridge, USA, konnte das physikalische Phänomen auch theoretisch bestätigt werden.

Ansprechpartner:
Johannes Nipper, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64977, e-mail: j.nipper@physik.uni-stuttgart.de

W. Li, T. Pohl, J. M. Rost, Seth T. Rittenhouse, H. R. Sadeghpour, J. Nipper, B. Butscher, J. B. Balewski, V. Bendkowsky, R. Löw, T. Pfau: A Homonuclear Molecule with a Permanent Electric Dipole Moment. Science 25 November 2011, 334 (6059): 1110-1114. DOI: 10.1126/science.1211255 http://www.sciencemag.org/content/334/6059/1110.full.pdf

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de
http://www.sciencemag.org/content/334/6059/1110.full.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau