24.10.16 14:03

Theoretische Physik II: Weiche Materie

Internationalem Forschungsteam gelingt grundlegendes quantenmechanisches Verständnis der Wechselwirkung von Helium-Atomen und Wasserstoff-Molekülen

Von: Redaktion, S.B.

21.10.2016 - Einem internationalen Forschungsteam aus Physik und Chemie ist es gelungen, die sogenannte Penning-Ionisierung von Wasserstoffmolekülen zu steuern. Dabei handelt es sich um Energieübertragung beim Zusammenstoß von Helium-Atomen mit Wasserstoff-Molekülen. Einen Code für die Simulation der Streuprozesse hat Dr. Liesbeth Janssen geschrieben, die am Lehrstuhl für Theoretische Physik II: Weiche Materie der Heinrich-Heine-Universität tätig ist (Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Hartmut Löwen). Weitere Berechnungen und theoretische Grundlagen für die Experimente lieferten Dr. Wojciech Skomorowski und Prof. Dr. Christiane Koch von der Universität Kassel gemeinsam mit Kollegen. Die Ergebnisse erschienen jetzt auf der Online-Seite des renommierten Fachjournals Nature Physics.

Dr. Liesbeth Janssen vom Lehrstuhl für Theoretische Physik II: Weiche Materie hat einen Code für die Simulation der Streuprozesse geschrieben (Foto: Marta Mayer/DESY/Hamburg)

Zwei Wasserstoffatome bilden das einfachste Molekül des Universums. Dennoch stellten kontrollierte Stöße dieser Moleküle mit hoch angeregten Helium-Atomen ein internationales Forschungsteam aus Kassel, Düsseldorf, Israel, Polen und den Niederlanden vor ein großes Rätsel. Auf der Grundlage des von Dr. Janssen entwickelten Computerprogramms lieferten Berechnungen von Dr. Wojciech Skomorowski und Prof. Dr. Christiane Koch von der Universität Kassel sowie Kollegen aus Polen und den Niederlanden die Erklärung. In Experimenten am Weizmann-Institut in Rehovot, Israel, hatten israelische Forscherinnen und Forscher Zusammenstöße von hochangeregten Helium-Atomen mit Wasserstoff-Molekülen ausgelöst, bei denen sie die Stoß-Energie extrem genau einstellen konnten. Die Anregungsenergie des Heliums kann beim Stoß auf die Wasserstoffmoleküle übertragen werden, was zur Ionisierung des Wasserstoffmoleküls führt. Diesen Prozess  bezeichnet man als Penning-Ionisierung.

„Das Interessante an Prozessen wie der Penning-Ionisierung ist, dass bei niedrigen Stoß-Energien eine Resonanz, das heißt eine stark erhöhte Wahrscheinlichkeit für die Ionisierung, eintritt, die durch den quantenmechanischen Tunneleffekt verursacht wird“, erklärt Prof. Dr. Christiane Koch, Leiterin des Fachgebiets Quantendynamik und -kontrolle an der Universität Kassel. „Allerdings wurde die Resonanz nur für Ortho-Wasserstoff beobachtet, nicht für Para-Wasserstoff.“ Wasserstoffmoleküle können in zwei verschiedenen Konfigurationen auftreten – ortho bzw. para genannt – die sich nur darin unterscheiden, wie die Spins ihrer Atomkerne ausgerichtet sind. „Die Ausrichtung des Kernspins gemeinsam mit dem quantenmechanischen Prinzip der Ununterscheidbarkeit von Atomkernen führt dazu, dass für Para- und Ortho-Wasserstoff unterschiedliche Rotationszustände erlaubt sind“, so Koch weiter.  Zusammen mit ihrem Mitarbeiter Dr. Wojciech Skomorowski, und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten in Düsseldorf, Torun (Polen),  und Nijmegen (Niederlande) lieferte sie die theoretische Erklärung für die experimentellen Beobachtungen.

„Mit hochgenauen Rechnungen konnten wir zeigen, dass der Rotationszustand des Wasserstoffmoleküls die effektive Wechselwirkung mit dem Helium-Atom so modifiziert, dass eine Resonanz auftritt oder eben nicht. Konkret kommt bei rotationsangeregten Ortho-Wasserstoffmolekülen die Anisotropie, d.h. die Richtungsabhängigkeit der Wechselwirkung zum Tragen, während sich dieser Beitrag für Para-Wasserstoffmoleküle herausmittelt. Damit konnten wir nachweisen, dass quantenmechanische Tunnel-Resonanzen die Möglichkeit bieten, den richtungsabhängigen vom kugelsymmetrischen Teil der Wechselwirkung zwischen den Stoßpartnern Wasserstoff und Helium zu unterscheiden. Außerdem konnten wir erstmalig zeigen, dass der quantenmechanische Rotationszustand des Moleküls die Richtungsabhängigkeit der Wechselwirkung ein- bzw. ausschaltet“, erläutert Prof. Koch.

Dr. Liesbeth Janssen von der Heine-Uni ergänzt: „Das passgenaue Zusammenspiel von Theorie und Experiment liefert uns sozusagen eine Lupe, um die Feinheiten der Atom-Molekülwechselwirkung und deren Richtungsabhängigkeit sichtbar zu machen. Dies eröffnet neue Steuerungsmöglichkeiten von Molekülstößen und chemischen Reaktionen.“

Das Paper unter DOI 10.1038/nphys3904

Link zum Text: www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3904.html

Kontakt:  Dr. Liesbeth Janssen, Postdoc, Institut für Theoretische Physik II – Weiche Materie, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universitätsstraße 1, 40225 Düsseldorf, Tel. 0211/81-12746, E-Mail: ljanssen(at)thphy.uni-duesseldorf.de

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