Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016

Atomphysiker der Goethe-Universität haben die Bindungslänge des seltenen Helium-Moleküls vermessen. Damit können sie den quantenmechanischen Tunneleffekt präzise überprüfen.

Helium-Atome sind Einzelgänger. Nur wenn man sie stark abkühlt, bilden sie ein sehr schwach gebundenes Molekül. Dank des quantenmechanischen Tunneleffekts können sie dabei einen extrem großen Abstand voneinander halten. Wie Atomphysiker der Goethe-Universität jetzt bestätigen konnten, sind sie über 75 Prozent der Zeit so weit voneinander entfernt, dass ihre Bindung sich nur noch durch den quantenmechanischen Tunneleffekt erklären lässt.


Ein Röntgenblitz (rot) von FLASH (Hamburg) ionisiert beide Helium Atome des Moleküls, so dass sie explosionsartig auseinander fliegen.

Grafik: AG Dörner

Die Bindungsenergie im Helium-Molekül beträgt nur etwa ein Milliardstel der Bindungsenergie alltäglicher Moleküle wie Sauerstoff oder Stickstoff. Das Molekül ist außerdem so riesengroß, dass kleine Viren oder Rußpartikel zwischen den Atomen hindurch fliegen könnten. Physiker erklären dies durch den quantenmechanischen „Tunnel-Effekt“.

Sie veranschaulichen die Bindung in einem klassischen Molekül durch eine Potentialmulde. Weiter als bis zu den „Wänden“ dieser Mulde können die Atome sich nicht voneinander entfernen. Doch in der Quantenmechanik dürfen die Atome auch in die Wände hinein tunneln. „Das ist, wie wenn jeder auf seiner Seite einen Stollen ohne Ausgang gräbt“, erklärt Prof. Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik an der Goethe-Universität.

Die Arbeitsgruppe von Dörner hat diese Helium-Moleküle in einem Experiment hergestellt und mithilfe des an der Goethe-Universität entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskops untersucht. Hierbei hat sie die Stärke der Bindung mit bislang unerreichter Präzision ermittelt und den Abstand der beiden Atome im Molekül vermessen.

„Das Helium-Molekül stellt so etwas wie einen Prüfstein für quantenmechanische Theorien dar, denn der theoretisch vorhergesagte Wert der Bindungsenergie hängt empfindlich davon ab, wie gut alle physikalischen und quantenmechanischen Effekte berücksichtigt wurden“, erklärt Dörner.

Selbst die Relativitätstheorie, die sonst hauptsächlich für astronomische Berechnungen benötigt wird, müsse hier einbezogen werden. „Unterläuft ein kleiner Fehler, so ergeben die Rechnungen große Abweichungen oder besagen gar, dass ein Helium-Molekül überhaupt nicht existieren kann“, so Dörner. Die von seiner Gruppe durchgeführten Präzisionsmessungen werden als Vergleichswert für zukünftige Experimente dienen.

Zwei Jahre Messungen im Keller

Mit der Untersuchung des Helium-Moleküls begann die Arbeitsgruppe von Dörner bereits 2009, als die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihm ein mit 1,25 Millionen Euro dotiertes Koselleck-Projekt bewilligte. „Eine Förderung dieser Art entspricht quasi einem Risikokapital, mit dem die DFG Experimentreihen unterstützt, die einen langen Atem brauchen“, erklärt der Atomphysiker. So konnte er mit seiner Gruppe die ersten Experimente entwerfen und aufbauen.

Erste Ergebnisse erzielte Dr. Jörg Voigtsberger im Rahmen seiner Doktorarbeit. „Auf der Suche nach Atomen, die ‚im Tunnel leben‘, verbrachte Jörg Voigtsberger zwei Jahres seines Lebens im Keller“, erinnert sich Privatdozent Till Jahnke, der damalige Betreuer. Dort, im Keller, befindet sich das Laserlabor der Frankfurter Atomphysikgruppe.

Stefan Zeller, der nächste Doktorand, konnte die damalige Apparatur mit Hilfe von Dr. Maksim Kunitski nochmals entscheidend verbessern und die Messgenauigkeit weiter erhöhen. Dazu musste er unter anderem mit der größten „Photonenkanone“, die es in Deutschland gibt, dem „Freie-Elektronen-Laser FLASH“ am Forschungszentrum DESY in Hamburg, auf die extrem schwach gebundenen Helium-Moleküle schießen.

„Stefan Zeller hat Beeindruckendes geleistet. Seine unermüdliche Arbeit, sein großes experimentelles Geschick und seine Fähigkeit, sich von temporären Rückschlägen nicht entmutigen zu lassen, haben diesen Erfolg überhaupt erst möglich gemacht“, kommentiert Zellers Doktorvater Prof. Dörner.

Die Ergebnisse fanden bereits im Vorfeld international und national hohe Beachtung. Sie erscheinen nun in der renommierten Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) und bilden außerdem einen Teil der Forschungsarbeiten, für welche die Gruppe mit dem Helmholtz-Preis 2016 ausgezeichnet wurde.

Publikation
S. Zeller, M. Kunitski, J. Voigtsberger, A. Kalinin, A. Schottelius, C. Schober, M. Waitz, H. Sann, A. Hartung, T. Bauer, M. Pitzer, F. Trinter, C. Goihl, C. Janke, M. Richter, G. Kastirke, M. Weller, A. Czasch, M. Kitzler, M. Braune, R. E. Grisenti, W. Schöllkopf, L. Ph. H. Schmidt, M. Schöffler, J. B. Williams, T. Jahnke, and R. Dörner:
Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser, in: PNAS,
DOI: 10.1073/pnas.1610688113

Eine Karikatur zum Download finden Sie unter: www.uni-frankfurt.de/64324412

Informationen: Prof. Reinhard Dörner, Institut für Kernphysik, Max-von-Laue-Str. 1, Tel: (069) 798-47003, doerner@atom.uni-frankfurt.de;
PD Dr. Till Jahnke, Institut für Kernphysik, Max-von-Laue-Str. 1, Tel: (069) 798-47025, jahnke@atom.uni-frankfurt.de

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 mit privaten Mitteln überwiegend jüdischer Stifter gegründet, hat sie seitdem Pionierleistungen erbracht auf den Feldern der Sozial-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaften, Medizin, Quantenphysik, Hirnforschung und Arbeitsrecht. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein hohes Maß an Selbstverantwortung. Heute ist sie eine der zehn drittmittelstärksten und drei größten Universitäten Deutschlands mit drei Exzellenzclustern in Medizin, Lebenswissenschaften sowie Geistes- und Sozialwissenschaften. Zusammen mit der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Mainz ist sie Partner der länderübergreifenden strategischen Universitätsallianz Rhein-Main.
Aktuelle Nachrichten aus Wissenschaft, Lehre und Gesellschaft in GOETHE-UNI online (www.aktuelles.uni-frankfurt.de)

Herausgeberin: Die Präsidentin
Redaktion: Dr. Anne Hardy, Referentin für Wissenschaftskommunikation, Abteilung PR & Kommunikation, Theodor-W.-Adorno-Platz 1, 60323 Frankfurt am Main, Tel: (069) 798-12498, Fax: (069) 798-763 12531, hardy@pvw.uni-frankfurt.de
Internet: www.uni-frankfurt.de

Dr. Anne Hardy | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab
21.08.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt
20.08.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Linsen im Fokus

21.08.2018 | Seminare Workshops

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Woher Muskeln wissen, wie spät es ist

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics