Frankfurter Forscher knacken Quantenrätsel mit Röntgenlaser
Wissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt haben mit dem weltweit leistungsstärksten Röntgenlaser erstmals direkte Bilder der Atombewegung auf Quantenebene aufgenommen. Ihre Aufnahmen enthüllen den fortwährenden "Tanz" der Teilchen.
Die Quantenwelt folgt strengen Regeln, die der klassischen Physik widersprechen. Laut der Heisenbergschen Unschärferelation ist es unmöglich, gleichzeitig die genaue Position und Geschwindigkeit eines Teilchens zu bestimmen. Trotzdem ist dieser quantenmechanische Tanz nicht chaotisch - die Atome folgen einer strikten Choreografie und kommen nie völlig zur Ruhe, selbst wenn ein Molekül am absoluten Temperaturnullpunkt eigentlich komplett eingefroren sein sollte.
Foto des Atom-Quantentanz: Till Jahnke
Diese nach festen Mustern ablaufenden Bewegungen um den Nullpunkt direkt zu messen, galt lange als unmöglich. Doch nun ist genau das den Wissenschaftlern am weltgrößten Röntgenlaser European XFEL in Hamburg gelungen. Sie konnten den "Tanz der Moleküle" einfangen, indem sie das "Rampenlicht" auf jeweils ein einzelnes Molekül richteten und Schnappschüsse seiner Atome machten.
Die auseinanderfliegenden Atomtrümmer werden von einer speziellen Apparatur aufgezeichnet, die Einschlagort und -zeitpunkt der Bruchstücke misst, um daraus die ursprüngliche Molekülstruktur zu rekonstruieren. Dieses sogenannte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wurde in den letzten Jahrzehnten in der Arbeitsgruppe für Atomphysik an der Goethe-Universität entwickelt.
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Siehe auch:
Quantentanz wird erstmals sichtbar
Die Forscher bestätigten jetzt im Magazin Nature diesen Durchbruch in der Quantenphysik, bei dem die quantenmechanische Nullpunktsbewegung in einem größeren Molekül direkt visualisiert werden konnte. Diese Bewegung vollführen Teilchen selbst am absoluten Temperaturnullpunkt.Die Quantenwelt folgt strengen Regeln, die der klassischen Physik widersprechen. Laut der Heisenbergschen Unschärferelation ist es unmöglich, gleichzeitig die genaue Position und Geschwindigkeit eines Teilchens zu bestimmen. Trotzdem ist dieser quantenmechanische Tanz nicht chaotisch - die Atome folgen einer strikten Choreografie und kommen nie völlig zur Ruhe, selbst wenn ein Molekül am absoluten Temperaturnullpunkt eigentlich komplett eingefroren sein sollte.
Foto des Atom-Quantentanz: Till Jahnke
Gekoppelte Schwingungen erstmals gemessen
In einem gemeinsamen Experiment mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der Universität Hamburg, dem European XFEL und weiteren Partnern konnten Forscher der Goethe-Universität Frankfurt diese fundamentalen Quantenprozesse erstmals direkt beobachten.Diese nach festen Mustern ablaufenden Bewegungen um den Nullpunkt direkt zu messen, galt lange als unmöglich. Doch nun ist genau das den Wissenschaftlern am weltgrößten Röntgenlaser European XFEL in Hamburg gelungen. Sie konnten den "Tanz der Moleküle" einfangen, indem sie das "Rampenlicht" auf jeweils ein einzelnes Molekül richteten und Schnappschüsse seiner Atome machten.
Das Tolle an unserer Arbeit ist, dass wir sehen konnten, dass nicht jedes Atom für sich schwingt, sondern dass die Atome in den Molekülen gekoppelt schwingen, nach festen Mustern.
Meilensteine der Quantenphysik
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1900
1900Max Planck stellt das Plancksche Strahlungsgesetz vor. Dies gilt als die "Geburtsstunde" der Quantenphysik und führte zur Einführung der Quantenhypothese, die besagt, dass Energie in diskreten Portionen (Quanten) übertragen wird.
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1905
1905Albert Einstein erklärt den photoelektrischen Effekt. Einstein zeigt, dass Licht aus Photonen besteht und quantisiert ist. Dafür erhielt er den Nobelpreis; das Experiment beweist den Teilchencharakter des Lichts und ist ein Meilenstein für die Entwicklung der Quantenmechanik.
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1927
1927Werner Heisenberg formuliert die Unschärferelation. Die Unschärferelation besagt, dass Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können - ein zentrales Prinzip der Quantenmechanik.
Explosion enthüllt Molekülstruktur
Bei der als "Coulomb Explosion Imaging" bezeichneten Methode werden Moleküle durch ultrakurze, hochintensive Röntgenlaserpulse zur kontrollierten Explosion gebracht, um hochauflösende Bilder ihrer Struktur zu gewinnen. Der Röntgenpuls schlägt dabei zahlreiche Elektronen aus dem Molekül heraus, wodurch elektrisch positiv geladene Atome entstehen, die sich durch elektrostatische Abstoßung innerhalb von Bruchteilen einer Billionstel-Sekunde gegenseitig wegschleudern.Die auseinanderfliegenden Atomtrümmer werden von einer speziellen Apparatur aufgezeichnet, die Einschlagort und -zeitpunkt der Bruchstücke misst, um daraus die ursprüngliche Molekülstruktur zu rekonstruieren. Dieses sogenannte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wurde in den letzten Jahrzehnten in der Arbeitsgruppe für Atomphysik an der Goethe-Universität entwickelt.
Neue Einblicke in die Quantenwelt
Das untersuchte Iodpyridin-Molekül besteht aus elf Atomen und verfügt über 27 unterschiedliche Vibrationsmoden.Unser Ziel ist es, neben dem Tanz der Atome auch den der Elektronen anzuschauen - also eine Choreografie, die um einiges schneller abläuft und zudem von der Bewegung der Atome beeinflusst wird.Die Methode könnte künftig helfen, fundamentale Quantenprozesse besser zu verstehen und neue Anwendungen in der Quantentechnologie zu entwickeln.
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Was ist die Nullpunktbewegung?
Die Nullpunktbewegung beschreibt die quantenmechanische Grundschwingung von Atomen, die selbst bei absolutem Temperaturnullpunkt nicht zur Ruhe kommen. Sie entsteht durch die sogenannte Nullpunktenergie - die niedrigste mögliche Energie eines quantenmechanischen Systems.
Diese Bewegung ist kein klassisches Phänomen und lässt sich nur mit Quantenphysik erklären. Dank neuer Techniken wie dem Coulomb Explosion Imaging konnte sie nun erstmals direkt in mittelgroßen Molekülen wie Iodpyridin beobachtet werden.
Diese Bewegung ist kein klassisches Phänomen und lässt sich nur mit Quantenphysik erklären. Dank neuer Techniken wie dem Coulomb Explosion Imaging konnte sie nun erstmals direkt in mittelgroßen Molekülen wie Iodpyridin beobachtet werden.
Wie wurde der "Tanz der Atome" sichtbar?
Mithilfe der Technik des Coulomb Explosion Imaging wurden Moleküle gezielt durch ultrakurze Röntgenlaserpulse zur Explosion gebracht. Dabei werden Elektronen herausgeschlagen, wodurch die Atome sich gegenseitig abstoßen und auseinanderfliegen.
Die Flugbahnen dieser Bruchstücke werden mit dem speziell entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskop erfasst. So lässt sich die ursprüngliche Molekülstruktur rekonstruieren - quasi ein Schnappschuss der atomaren Bewegung.
Die Flugbahnen dieser Bruchstücke werden mit dem speziell entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskop erfasst. So lässt sich die ursprüngliche Molekülstruktur rekonstruieren - quasi ein Schnappschuss der atomaren Bewegung.
Was ist das COLTRIMS-Mikroskop?
COLTRIMS steht für "Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy". Es handelt sich um ein hochpräzises Detektionssystem, das Flugrichtung und -zeit von Molekülfragmenten misst, um deren Ursprungspositionen zu berechnen.
Das Gerät wurde an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelt und speziell für den Einsatz am European XFEL angepasst. Es ermöglicht atomgenaue Momentaufnahmen molekularer Prozesse.
Das Gerät wurde an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelt und speziell für den Einsatz am European XFEL angepasst. Es ermöglicht atomgenaue Momentaufnahmen molekularer Prozesse.
Warum ist diese Entdeckung bedeutsam?
Erstmals konnte die gekoppelte Nullpunktbewegung in einzelnen, komplexeren Molekülen direkt gemessen werden. Das galt zuvor als unmöglich, da solche Bewegungen extrem kurzlebig und fein sind.
Diese direkte Beobachtung liefert neue Einblicke in quantenmechanische Prozesse und könnte langfristig helfen, chemische Reaktionen oder Materialeigenschaften gezielter zu steuern.
Diese direkte Beobachtung liefert neue Einblicke in quantenmechanische Prozesse und könnte langfristig helfen, chemische Reaktionen oder Materialeigenschaften gezielter zu steuern.
Wie genau sind die Aufnahmen?
Die Auflösung der Methode liegt im Bereich von Sub-Angström - das entspricht weniger als einem Zehnmillionstel Millimeter. Die Zeitauflösung bewegt sich im Bereich von Femtosekunden bis Attosekunden.
Damit lassen sich selbst die schnellsten atomaren Bewegungen erfassen. Die Kombination aus COLTRIMS und dem European XFEL ermöglicht diese bisher unerreichte Präzision.
Damit lassen sich selbst die schnellsten atomaren Bewegungen erfassen. Die Kombination aus COLTRIMS und dem European XFEL ermöglicht diese bisher unerreichte Präzision.
Was bringt das für die IT oder Technik?
Die präzise Kontrolle und Visualisierung quantenmechanischer Prozesse könnte langfristig neue Technologien ermöglichen - etwa in der Quantenchemie, Materialforschung oder Quanteninformatik.
Für IT-Profis interessant: Methoden wie COLTRIMS erzeugen riesige Datenmengen, deren Auswertung moderne Datenanalyse, Machine Learning und Hochleistungsrechner erfordert - ein spannendes Feld für interdisziplinäre Anwendungen.
Für IT-Profis interessant: Methoden wie COLTRIMS erzeugen riesige Datenmengen, deren Auswertung moderne Datenanalyse, Machine Learning und Hochleistungsrechner erfordert - ein spannendes Feld für interdisziplinäre Anwendungen.
Zusammenfassung
- Forscher der Goethe-Universität visualisieren Quantenbewegung von Atomen
- Quantenmechanische Nullpunktsbewegung in größerem Molekül erstmals sichtbar
- Atome schwingen nach festen Mustern gekoppelt, nie in völligem Stillstand
- Methode 'Coulomb Explosion Imaging' nutzt Röntgenlaser zur Molekülanalyse
- COLTRIMS-Reaktionsmikroskop rekonstruiert die ursprüngliche Struktur
- Untersuchtes Iodpyridin-Molekül besteht aus elf Atomen mit 27 Vibrationsmoden
- Forscher wollen künftig auch den schnelleren Tanz der Elektronen beobachten
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