Den Geheimnissen kalter Molekülkollisionen auf der Spur
Bei hohen Temperaturen verhalten sich die Moleküle wie Billardkugeln. Bei sehr tiefen Temperaturen wird jedoch die Quantenmechanik dominant. Das bedeutet, dass sich Moleküle nicht mehr wie 'klassische Billardkugeln' verhalten, sondern wie Quantenwellen. „Bei einer Kollision beginnen diese 'Wellen' sich gegenseitig zu beeinflussen, was zu eigenartigen neuen molekularen Kollisionsphänomenen führt, die bei hohen Temperaturen nicht auftreten können“, erklärt Sebastiaan van de Meerakker, Projektkoordinator von FICOMOL(öffnet in neuem Fenster) von der Radboud-Universität(öffnet in neuem Fenster) in den Niederlanden. „Diese Phänomene wurden bereits vor Jahrzehnten prognostiziert, konnten jedoch bislang nicht experimentell nachgewiesen werden. Dies liegt daran, dass es äußerst schwierig ist, molekulare Kollisionen bei ausreichend niedrigen Temperaturen zu untersuchen.“
Molekularkollisionen mithilfe elektrischer Felder steuern
Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) geförderte Projekt FICOMOL hat sich zum Ziel gesetzt, diese Herausforderung zu bewältigen. „Zu diesem Zweck haben wir Methoden entwickelt, um Temperaturen von bis zu ~100 Millikelvin zu erreichen“, erklärt van de Meerakker. „Wir haben auch die ersten Schritte unternommen, um ‚Steuerknöpfe‘ zu entwickeln, die mithilfe elektrischer Felder molekulare Kollisionen steuern.“ Ein sogenannter Stark-Entschleuniger wurde verwendet, um die Vorwärtsgeschwindigkeit der Moleküle zu verändern, und gekrümmte Hexapole dienten dazu, ihre Flugbahn zu steuern. Dadurch konnte das Projektteam Moleküle mit relativ geringer Geschwindigkeit miteinander interagieren lassen. „Da die Temperatur im Wesentlichen ein Maß für die relative Bewegung von Molekülen ist, konnten wir mit unserer Technik Kollisionen bei Temperaturen bis zu 100 Millikelvin untersuchen, ohne kryogene Verfahren einsetzen zu müssen“, erläutert van de Meerakker. Die Kollisionen wurden mit leistungsstarken Lasern erfasst und anschließend zweidimensional kartiert, wodurch die Geschwindigkeit und Rückstoßrichtung der kollidierten Moleküle sichtbar wurden.
Streuungsphänomene bei niedrigen Temperaturen
Mithilfe dieser Techniken konnte das Projektteam neue Streuphänomene bei niedrigen Temperaturen untersuchen und entdecken. „Diese Arbeit ist rein grundlegender Natur, und die Hauptmotivation dafür war wissenschaftliche Neugier“, erklärt van de Meerakker. „Es könnte aber wichtige Anwendungen geben. Forschende, die mit kalten Molekülen arbeiten, entwickeln Methoden, um einzelne Moleküle z. B. in einem Quantencomputer zu verwenden. Ein fundiertes Verständnis der Kollisionseigenschaften einzelner Moleküle bei niedrigen Temperaturen ist eine wichtige Voraussetzung.“ Andere Anwendungen könnten in der Astrochemie liegen. „Wir wissen, dass der Raum zwischen den Sternen im Universum voller Moleküle ist, die miteinander wechselwirken“, erklärt van de Meerakker. „Wir können die chemische Zusammensetzung des interstellaren Raums mit Weltraumteleskopen untersuchen. Um diese Beobachtungen zu analysieren und zu modellieren, ist jedoch ein fundiertes Verständnis der Kollisionseigenschaften einzelner Moleküle bei niedrigen Temperaturen wiederum eine wichtige Voraussetzung.“
Quantengeräte auf Basis einzelner Moleküle
Künftige Forschungsarbeiten werden sich auf zwei zentrale Themen konzentrieren. „Wir haben ausreichend niedrige Temperaturen erreicht, um Kollisionen mit externen elektrischen oder magnetischen Feldern zu manipulieren“, sagt van de Meerakker. „Wir erwarten, dass wir in den kommenden Jahren das volle Potenzial dieses ‚zusätzlichen Reglers‘ erschließen können.“ Zweitens planen van de Meerakker und sein Team, neue Methoden zu entwickeln, um die erreichbaren Temperaturen um weitere zwei bis drei Größenordnungen zu senken. Um diese Ziele in den nächsten fünf Jahren zu erreichen, wurde eine Vorschuss-Finanzhilfe durch den Europäischen Forschungsrat bewilligt. „Die Hoffnung ist, dass wir alle Geheimnisse der kalten molekularen Kollisionen auf der vollen quantenmechanischen Ebene aufdecken werden“, fügt van de Meerakker hinzu. „Dies könnte schließlich zu neuen Quantengeräten führen, die auf einzelnen Molekülen basieren und von denen eine Reihe von Forschungsbereichen profitieren könnten, von der Atmosphärenforschung bis zur Astrochemie.“
