Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch können sie erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg unmittelbar nach der Molekülbildung nachvollziehen.

Die Forschungsergebnisse tragen zu einem vertieften Verständnis ultrakalter chemischer Prozesse bei und könnten in Zukunft die gezielte Steuerung von Reaktionen auf Quantenniveau ermöglichen. Der Fachartikel der Forscher von den Universitäten Ulm und Hannover sowie von US-Forschungseinrichtungen ist im hochrenommierten Journal „Science“ erschienen.

Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit haben die Forscher Theorie mit Experiment kombiniert und exemplarisch auf eine der fundamentalsten chemischen Reaktionen gesetzt, die so genannte Dreikörperrekombination. Dabei kommen sich drei Atome so nahe, dass zwei von ihnen zu einem Molekül reagieren und das dritte Atom einen Teil der dabei entstehenden Energie abtransportiert.

Bisher waren die genauen Zustände der molekularen Endprodukte nicht bekannt. Doch nun können die Forscher um Professor Johannes Hecker Denschlag, Leiter des Instituts für Quantenmaterie, den Molekülzustand in allen Details unmittelbar nach der 3-Partikel-Kollision bestimmen.

Die experimentellen Messungen fanden an der Universität Ulm statt: In einer Ultravakuumapparatur wurde das in einer Falle gefangene Gas aus Rubidium-Atomen mit einem Laserstrahl zunächst auf eine Temperatur von einem Millionstel Grad Kelvin abgekühlt. Dieses ultrakalte Gas bildet daraufhin eine genau definierte quantenmechanische Wolke, in der die Dreikörperrekombination stattfindet.

Aufgrund der gemessenen Produktverteilungen konnten die Forscher neue Regeln für chemische Reaktionspfade ableiten. „Trotz Supercomputer ist die exakte Simulation solcher Reaktionen bisher nicht realisierbar. Aufgrund der gefundenen Reaktionsregeln konnten die Kollegen aus den USA jedoch ein vergleichsweise einfaches Modell entwickeln, mit dem einige der experimentellen Messergebnisse erstmals nachvollzogen werden können“, erklärt Hecker Denschlag.

Die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Arbeiten der Forschungsgruppe sind wegweisend für die Untersuchung von weiteren ultrakalten chemischen Prozessen. „In vielen Laboren ist die erforderliche experimentelle Ausstattung bereits vorhanden, so dass weitere Forschergruppen an unsere Arbeit anknüpfen können. Die experimentellen Ergebnisse wiederum fordern die Theoretiker heraus, ihre Modelle und Theorien beständig weiterzuentwickeln“, erklärt Hecker Denschlag.

Durch die Kombination von Theorie und Experiment werde ein tiefes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, was zukünftig gegebenenfalls genutzt werden könne, um den Reaktionsprozess auf dem Quantenniveau zu steuern.

Die Ulmer Forscher wurden bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Zum Hintergrund

In der Quantentechnologie ist die Universität Ulm führend. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung Stuttgart arbeitet eine interdisziplinäre Forschergruppe im Zentrum IQST daran, Forschungsergebnisse aus der Quantenwissenschaft in die technische Anwendung zu übertragen. Weiterhin zeugen der Sonderforschungsbereich/Transregio 21 „Control of Quantum Correlations in Tailored Matter“ (Ulm, Stuttgart, Tübingen) und ein ERC Synergy Grant über 10,3 Millionen Euro von der Ulmer Forschungsstärke im Bereich Quantenwissenschaft. Bei der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder ist die Universität Ulm zudem zur Vollantragstellung im Bereich Quantentechnologie aufgefordert worden.

Joschka Wolf, Markus Deiß, Artjom Krükow, Eberhard Tiemann, Brandon P.
Ruzic, Yujun Wang, José P. D’Incao, Paul S. Julienne, and Johannes Hecker Denschlag: State-to-state chemistry for three-body recombination in an ultracold Rubidium gas. Science 17 Nov 2017, Vol. 358, Issue 6365, pp. 921-924, DOI: 10.1126/science.aan8721