Reise in die Forschung

Übergreifend

Reise in die Forschung

In unserer LEIFI-Reihe „Reise in die Forschung“ stellen wir euch in größeren Abständen verschiedene Forschungsprojekte aus der Physik vor. Dabei erhaltet ihr nicht nur einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen sondern erfahrt auch, wie fachübergreifend solche Projekte häufig bearbeitet werden.

1. Kosmische Inflation

Zu Beginn war das Universum unvorstellbar dicht und heiß. Davon sind zumindest Anhänger der Urknall-Theorie überzeugt. Demnach ist das Universum wie wir es kennen, mitsamt aller Planeten, Sterne, Galaxien, und Galaxienhaufen einem punktförmigen und unendlich dichten Urzustand entsprungen, einer sogenannten “Singularität” in der Raumzeit (siehe auch Heiße Anfangsphase). Damit sich das Universum auf seine heutige, gewaltige Größe ausdehnen konnte, musste also einiges passieren. Wissenschaftler rätselten lange an einigen konzeptionellen Fragen, die sich beispielsweise durch Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung ergeben: Warum hat das Universum keine räumliche Krümmung, wie zum Beispiel die Oberfläche der Erde? Wie konnte sich Information im frühen Universum scheinbar schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten?
 
Die Beantwortung dieser und weiterer Fragen führt weit in das Feld der theoretischen Kosmologie hinein und zu der Idee der Kosmischen Inflation. Inflation bezeichnet dabei eine Phase exponentieller Ausdehnung in den ersten Sekundenbruchteilen des Universums (siehe Abbildung und folgenden Artikel bei Spektrum). Wie das klassische Beispiel sich vermehrender Seerosen auf der Oberfläche eines Teiches veranschaulicht, bedeutet “exponentiell” eine wahnsinnig schnelle Expansion. Tatsächlich ist ein Ergebnis der Inflationstheorie, dass sich das Universum in Bruchteilen von Sekunden um einen Faktor 1026 ausgedehnt hat!

Urknall und die Expansion der UniversumsNASA / WMAP Science Team

Im Rahmen der Theorie wird zudem vermutet, dass die kosmische Inflation durch ein “skalares” Teilchen – d. h. ein Elementarteilchen mit Spin null (ähnlich dem 2012 gefundenen Higgs Boson) – angetrieben wird. Dieses vorhergesagte Elementarteilchen wird als Inflaton bezeichnet.
Um die Vorgänge während der ersten Sekundenbruchteile des Universums zu beschreiben, müssen die zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden extremen Bedingungen berücksichtigt werden. Diese betreffen u. a. auch das Verhältnis der vier fundamentalen Wechselwirkungen. 
 

1.1 Einschub: Die fundamentalen Wechselwirkungen

In der Natur gibt es vier fundamentale Wechselwirkungen. Die elektromagnetische Wechselwirkung kennen wir alle aus der Erfahrung, dass sich verschiedene Ladungen anziehen, während sich gleiche Ladungen abstoßen. Auch die Kräfte zwischen den Polen von Magneten beruhen auf der elektromagnetischen Wechselwirkung. Eine weitere Wechselwirkung ist die sogenannte starke Wechselwirkung. Genau wie die schwache Wechselwirkung spielt sie hauptsächlich eine Rolle im Inneren von Atomkernen. Während erstere die Quarks zu Protonen und Neutronen bindet, und Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält, ist letztere beispielsweise für radioaktive Strahlung verantwortlich.
 
Die Namen der Wechselwirkungen sagen bereits viel über ihre Eigenschaften aus: tatsächlich ist die starke Wechselwirkung auch die stärkste Wechselwirkung. Offensichtlich ist sie stärker als die elektromagnetische, da Atomkerne stabil sind, obwohl sie lediglich aus positiv geladenen und neutralen Teilchen bestehen (Protonen und Neutronen). Sogar die schwache Wechselwirkung ist stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung, wenn auch nicht viel. Die schwächste aller Wechselwirkungen haben wir allerdings noch nicht erwähnt: die Gravitation. Zunächst scheint das nicht intuitiv, da diese die Wechselwirkung ist, die unseren Alltag am meisten zu beeinflussen scheint. Sie ist für die Anziehung zwischen schweren Objekten verantwortlich und damit auch von größter Relevanz für Astrophysik und Kosmologie. Auf kleinen Längenskalen ist sie allerdings 1027 - mal schwächer als die anderen drei genannten Wechselwirkungen und damit kaum relevant.
 

1.2 Extreme Bedingungen bei der Entstehung des Universums

Inzwischen weiß man, dass die extrem heißen und dichten Bedingungen bei der Entstehung des Universums – zu der Zeit der kosmischen Inflation – dafür gesorgt haben, dass alle Wechselwirkungen in etwa gleich stark waren. Mathematisch kann das damit begründet werden, dass die sog. Kopplungskonstanten – ein Maß für die Stärke der jeweiligen Wechselwirkungen – nicht konstant sind, sondern von der Energieskala des betrachteten Systems abhängen. Die Festlegung der Energieskala, bezogen auf die die Theorie formuliert wird, wird in der  Quantenfeldtheorie mit Renormierung der Kopplungskonstanten bezeichnet.
Für eine Theorie, die Inflation beschreiben soll, gilt also, dass sie alle vier elementaren Kräfte gleichermaßen beschreiben muss. Herkömmliche Quantenfeldtheorien, wie zum Beispiel jene, die das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt, scheitern allerdings an der quantenmechanischen Beschreibung der Gravitation. Formal liegt das daran, dass die Kopplungskonstante der Gravitation dimensionsbehaftet ist, man sagt Gravitation ist “nicht renormierbar”.
Um die Gravitation genau wie die drei anderen fundamentalen Wechselwirkungen bei der Beschreibung der kosmischen Inflation berücksichtigen zu können, wird eine neue Theorie benötigt. Diese soll zum einen alle vier elementaren Wechselwirkungen gleichermaßen beschreiben und zum anderen die Existenz geeigneter bisher nicht gefundener Teilchen als Kandidaten für das Inflaton vorhersagen. Eine Theorie, die diese Bedingungen erfüllt, ist die String-Theorie.
 

2 String-Theorie 

Die String-Theorie ist im Wesentlichen ein mathematisches Konstrukt, das es erlaubt, alle vier fundamentalen Kräfte – inklusive der Gravitation – als Quantentheorien zu beschreiben. Somit ist die String-Theorie sowohl in der Lage, bekannte Phänomene der Teilchenphysik und Kosmologie zu beschreiben, als auch Probleme zu lösen, an denen bisherige Modelle scheitern.

2.1 Idee

Die zugrunde liegende Idee ist simpel: Die fundamentalen Objekte der herkömmlichen Teilchenphysik sind punktförmige – d. h. ausdehnungslose – Objekte, wie z. B. das Elektron, das Photon oder die Quarks. In der String-Theorie werden diese punktförmigen Grundbausteine durch ausgedehnte Objekte ersetzt, sogenannte Strings – auf Deutsch, Saiten. Diese sind so klein, dass sie in heutigen Experimenten nicht von punktförmigen Objekten unterschieden werden können. Ihre Eigenschaften sind jedoch von Grund auf verschieden: Man kann sich einen String durchaus wie die Saite einer Gitarre vorstellen. Diese kann in verschiedenen Frequenzen schwingen; sie hat sogenannte Eigenfrequenzen, die mit ihrer Länge, Dicke und Beschaffenheit zusammenhängen. Ähnlich verhält sich ein String: Je nachdem, in welcher Frequenz er schwingt, spielt er die Rolle unterschiedlicher Elementarteilchen. Mithilfe der quantenmechanischen Berechnung des harmonischen Oszillators kann man zeigen, dass mit Strings sowohl  alle bekannten, als auch bisher nicht nachgewiesenen Teilchen beschrieben werden  können. Eines davon ist das postulierte Graviton, das Austauschteilchen der Gravitation. Es spielt die gleiche Rolle wie das Photon für die elektromagnetische Kraft, ist masselos, hat Spin zwei, und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Aus diesem Grund ist es klar, dass die String-Theorie eine fundamentale Beschreibung der Gravitation als Quantentheorie beinhaltet und damit auch bestens geeignet ist, Physik bei sehr hohen Energieskalen zu behandeln.
 

2.2 Mathematische Umsetzung

Leider ist die String-Theorie mathematisch sehr kompliziert zu beschreiben. Beispielsweise erfordert die Einhaltung von Einsteins Gesetzen der Relativität, dass Strings nur in zehn Raumzeit-Dimensionen existieren können. Das entspricht zunächst nicht unserer Intuition, denn im Alltag beobachten wir nur vier Dimensionen: Drei im Raum und eine in der Zeit. Wo sollen also diese sechs zusätzlichen Dimensionen sein? Die Antwortet lautet „überall“, sie sind bloß sehr, sehr klein! Mathematisch bedient man sich hier eines Tricks und kompaktifiziert die sechs überschüssigen Dimensionen. Das bedeutet, die extra-Dimensionen werden zu einem mathematischen Raum, einer sogenannten Mannigfaltigkeit, zusammengefasst, der eine sehr kleine Ausdehnung hat. Als alltägliches Beispiel können wir uns ein Blatt Papier vorstellen: Im Prinzip ist es ein drei-dimensionales Objekt, aber eine der Dimensionen hat eine solch kleine Ausdehnung,  dass wir es als zwei-dimensional betrachten. Nach der Kompaktifizierung bleiben also nur vier Dimensionen übrig, die groß genug sind, um von uns beobachtet zur werden.
 

3 String-Theorie und Inflation

Die genauen Eigenschaften der kompakten Mannigfaltigkeit sind von entscheidender Bedeutung, da sie bestimmen, wie das Universum in den vier beobachtbaren Dimensionen aussieht. Deshalb ist es wichtig, dass die Eigenschaften in der mathematischen Beschreibung dementsprechend gewählt sind, dass alle bisher beobachteten Phänomene korrekt beschrieben werden. Zusätzlich zu den bekannten Elementarteilchen bleiben dann in der vier-dimensionalen, beobachteten Welt weitere Teilchen übrig: Eine große Anzahl skalarer Teilchen, sogenannte “Moduli”. Dies stellt eine weitere Verbindung zur Inflation da, denn eines dieser durch die String-Theorie postulierten Spin-null Teilchen könnte das gesuchte Inflaton sein.
 
Damit sind Inflation und String-Theorie zwei scheinbar untrennbare Konzepte die es verdienen, gemeinsam untersucht zu werden.
 

Hinweise zur Quantenfeldtheorie

Die Quantenmechanik ist eine physikalische Theorie zur Beschreibung der Materie, ihrer Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten. Im Gegensatz zu den Theorien der klassischen Physik erlaubt sie eine Berechnung der physikalischen Eigenschaften von Materie im Größenbereich der Atome und darunter.

Die Quantenfeldtheorie ist eine Weiterentwicklung der Quantenphysik über die Quantenmechanik hinaus. Während in der Quantenmechanik stets das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern beschrieben wird, werden in der Quantenfeldtheorie Prinzipien der Quantenmechanik mit denen klassischer Feldtheorien (wie zum Beispiel der klassischen Elektrodynamik) zu einer erweiterten Theorie kombiniert. Dabei werden nicht nur beobachtbare Größen wie Energie oder Impuls als Quantenobjekte behandelt, sondern auch die wechselwirkenden Felder selbst.


 
Der Autor
Clemens Wieck hat in Bonn Physik studiert und war ab Herbst 2012 Mitglied der Gruppe “Theorie” am DESY in Hamburg und Stipendiat der Joachim Herz Stiftung. Das Thema seiner Doktorarbeit war das Zusammenspiel zwischen Kosmischer Inflation und Stringtheorie und so beschäftigte er sich insbesondere mit der Stabilität der von Stringtheorie benötigten zusätzlichen Dimensionen im frühen Universum. Er hat seine Forschungsarbeit in Hamburg im Sommer 2015 beendet und anschließend eine Forschungsstelle in Madrid angetreten.

Zur selben Zeit zwei oder noch mehr Zustände einnehmen – in der Quantenphysik ist das kein Problem. Doch gerade diese Eigenschaft macht es sehr schwer, sich mit der Welt der Quanten auseinanderzusetzen. Wir haben jemanden gefragt, der das trotzdem macht: Prof. Ignacio Cirac.

Prof. Cirac ist Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Er wurde am 12.11.2015 mit dem „Hamburger Preis für theoretische Physik“ der Joachim Herz Stiftung und des Bundesexzellenzclusters „The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“ (CUI) der Universität Hamburg ausgezeichnet. Der gebürtige Spanier erhielt den Preis für seine Forschungsarbeit im Bereich der der Quanteninformations-Theorie, der Quantenoptik und der Physik von Vielteilchensystemen – einer Grundlage u.a. für die Entwicklung von besonders schnellen Quantencomputern. Verknüpft mit dem Preis sind Aufenthalte für Forschung und Lehre in Hamburg, denen Prof. Cirac schon jetzt gespannt entgegen blickt.

Ralf Krauter, Wissenschaftsjournalist und Science Reporter aus Köln, hat Prof. Cirac Fragen gestellt. Seine Antworten geben einen kleinen Einblick in die Welt der Quantenphysik und die Denkweise eines Quantenphysikers.

Quantenmechanik im Alltag

In der Welt der Quanten gelten Regeln, die in der makroskopischen, also sichtbar erfahrbaren Welt nicht plausibel erscheinen. Bereits im Jahr 1935 veröffentlichte der Physiker Erwin Schrödinger mit „Schrödingers Katze“ ein Gedankenexperiment, das die direkte Übertragung quantenmechanischer Begriffe auf die makroskopische Welt problematisiert. Haben wir in unserem Alltag überhaupt mit Quantenmechanik zu tun?

„Es ist alles sehr abstrakt“

Von außen betrachtet wirkt Quantenmechanik unverständlich. Es ist ein Gebiet mit vielen Formeln und wenig Anschauungsbeispielen. Doch hat jemand, der täglich damit zu tun hat, eine besondere Denkweise?

Von Philosophie, Mathematik und Anwendungsmöglichkeiten

Prof. Cirac hat Physik studiert, im Bereich der theoretischen Physik promoviert und ist seit 2001 Direktor am Max Planck Institut für Quantenoptik in Garching. Er ist durch und durch theoretischer Physiker und seit Jahren von der Quantenphysik fasziniert. Wir haben ihn gefragt, was ihn an der Quantenphysik so begeistert, dass er jeden Tag damit verbringt.

Neue Anwendungen: Der Quantencomputer

In der Welt der Quanten ist die Überlagerung von Zuständen möglich. Eine Eigenschaft, die u.a. die Forschung im Bereich der Quanteninformationstheorie nutzt: In einem herkömmlichen Computer werden Informationen in Form von Bits kodiert, die die Werte „0“ oder „1“ annehmen können. In einem Quantensystem dagegen kann eine Überlagerung der beiden Zustände „0“ und „1“ vorliegen. Das sogenannte „Quanten-Bit“ wird also gleichzeitig mit beiden Werten  beschrieben und nimmt erst bei einer Messung des Systems einen der Zustände „0“ oder „1“ an. Unter anderem durch diese Besonderheit eröffnet die Quantenmechanik ganz neue Möglichkeiten Daten zu speichern und Rechenoperationen durchzuführen. In bestimmten Bereichen der Datenverarbeitung und insbesondere der Verschlüsselung von Informationen könnten Quantencomputer damit deutlich schnellere Rechenleistungen und sicherere Methoden als herkömmliche Computer erlauben. Doch wann ist es endlich soweit?

Ausschnitte aus der Preisverleihung und Prof. Ciracs Pläne für seinen Aufenthalt in Hamburg könnt ihr hier sehen:

 
Ergänzendes Material zum Thema bei Welt der Physik

Die Story

Moleküle setzen sich aus mehreren Atomen zusammen. Es gibt gleichatomige Moleküle, wie zum Beispiel Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2), und Moleküle aus verschiedenen Atomen, wie zum Beispiel Wasser (H2O) oder Traubenzucker (C6H12O6). Der Funktionsweise von Molekülen kann man auf die Spur kommen, wenn man ihre Struktur und die Veränderungen dieser Struktur bis ins kleinste Detail versteht. Molekulare Strukturen wurden im letzten Jahrhundert schon ausführlich erforscht. Die Veränderungen dieser Strukturen verfolgen zu können, ist jedoch noch Neuland. Das wollen wir in unserer Arbeitsgruppe (und viele andere Wissenschaftler) nun ändern, indem wir so genannte Molekülfilme aufnehmen. Diese sollen zeigen, wie Moleküle ihre Struktur verändern, wie sie mit anderen Molekülen reagieren oder was passiert, wenn sie zerstört werden. Solche Prozesse passieren ständig in biologischen Systemen wie unserem Körper, in der Atmosphäre der Erde oder auch in Sternenwolken. Sie erlauben beispielsweise auch das Sehen und spielen eine wichtige Rolle während der Photosynthese.

Die Schauspieler

Abb. 1: Ein Molekülfilm: Die Struktur von Stilben kann mit UV Licht verändert werden. Aber wie genau passiert der Übergang?

Eine Molekülart, an der wir forschen wollen, sind Stilbene (C14H12, siehe Abb. 1). Dieses Molekül hat zwei Strukturen, die durch Einstrahlung von UV Licht ineinander übergehen können. Stilben ist die Basisstruktur der Verbindung Resveratrol, die zum Beispiel in Weintrauben vorkommt. Dieser Stoff kann helfen Krebszellen zu bekämpfen. Die verschiedenen Strukturen wirken dabei unterschiedlich gut. Wir wollen verstehen, wie bei Stilbenen Strukturveränderungen im Detail ablaufen. Verstünde man solche Prozesse bei Krebsmedikamenten, könnte man diese gezielter entwickeln und einsetzen.

Die Kamera

Um kleine Dinge zu betrachten, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Biologen nutzen zum Beispiel Lichtmikroskope (Lichtmikroskope). Moleküle sind allerdings zu klein um ihre Strukturen damit betrachten zu können. Die beste räumliche Auflösung, die man mit einem Lichtmikroskop erreichen kann, ist durch die Wellenlänge des Lichtes bestimmt. Mit sichtbarem Licht kann man Strukturen bis zu circa 200 nm (wobei 1 nm = 10-9 m) auflösen. Die Strukturen, die wir untersuchen wollen, sind allerdings 10 bis 0,1 nm groß, weshalb zum Abbilden der Molekül-Strukturen kein sichtbares Licht verwendet werden kann. Stattdessen kann Licht mit einer kürzeren Wellenlänge, also zum Beispiel Röntgenstrahlung, genutzt werden oder auch Elektronen.

Um den Molekülen bei ihren Bewegungen zuschauen zu können, muss die Kamera neben der guten Auflösung außerdem sehr schnell sein. Eine normale Kamera, wie sie in Hollywood eingesetzt wird, macht circa 100 Bilder pro Sekunde (Bei einem Zeitraffer 100000 Bilder pro Sekunde). Das ist so schnell, dass wir die einzelnen Bilder nicht mehr auseinander halten können, sondern sie als Film wahrnehmen. Die einzelnen Bilder zeigen jeweils Details der Bewegung an, so wie die des laufenden Pferdes in Abb. 2. Um die Strukturveränderung der Moleküle zu beobachten, müssen wir allerdings deutlich schneller sein. Ein Molekül benötigt nur 100 fs um seine Struktur zu verändern. Das sind  0,0000000000001 s (1 fs = 10-15 s).

Abb. 2: Um Bewegungen in ihren Einzelheiten nachvollziehen zu können, muss man die einzelnen Bilder zwischen Anfang und Ende der Bewegung betrachten können (Fotos von Eadweard Muybridge (gestorben 1904). Animation von User: Waugsberg [Public domain], via Wikimedia Commons von Wikimedia Commons).

So kurze Zeitskalen erreichen wir mit gepulsten Lasern. Diese senden kurze und sehr intensive Lichtpulse aus. Mit diesen Pulsen lösen wir Elektronen aus einer Kupferplatte (Photoeffekt). Die Elektronen treten in kurzen Bündeln aus dem Metall und werden mit Hilfe von elektrischen Feldern beschleunigt, bevor sie auf die Moleküle treffen (links in Abb. 3). Abhängig davon, welche Atome im Molekül sind, und vor allem auch wie sie räumlich angeordnet sind, werden die Elektronenbahnen beeinflusst.

Abb. 3: Elektronenstreuung an ausgerichteten Molekülen

Um genau zu verstehen, wie die Elektronenbahnen sich verändern, muss man den Welle-Teilchen-Dualismus miteinbeziehen: Die Elektronen kann man auch als Welle betrachten, die von den Atomen im Molekül gestreut wird. Bildlich kann man sich das vorstellen, als würde eine Welle im Wasser auf Felsen treffen. Das verändert die Form der Welle, Wellenhügel können wieder aufeinander treffen und sich erhöhen oder auslöschen. Ähnlich dazu hat die Elektronenwelle, die auf die Atome im Molekül trifft, danach eine veränderte Wellenform. Das resultierende Interferenzbild wird mit einem Detektor aufgenommen, woraus dann das Aussehen der Moleküle bestimmt werden kann. Verschiedene Strukturen führen zu unterschiedlichen Streubildern. Abb. 4 zeigt die Simulation eines Streubilds für ein zwei-atomiges Molekül. Das Interferenzmuster ist hier sehr ähnlich zu dem des Doppelspalts. Das Molekül steht entlang der vertikalen Achse, zentral vor dem Detektor. Die Richtung, in die das Signal zu und ab nimmt, entspricht der Molekülachse und aus dem Abstand der Maxima und Minima kann man die Distanz der Atome im Molekül bestimmen.

Abb. 4: Simuliertes Streubild für ein zwei-atomiges Molekül

Im Experiment fliegen die meisten Elektronen allerdings ungestört geradeaus. Sie enthalten keine Information über die Struktur des Moleküls und werden daher mit einem Stück Metall kurz vor dem Detektor abgeblockt. So sind die gestreuten Elektronen gut sichtbar.

Mit jedem Elektronenpuls wird ein Bild der Moleküle aufgenommen. Das wird wie mit einem Blitzlicht mehrmals zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholt, während die Moleküle ihre Struktur verändern. Wenn wir die Bilder dann zusammensetzen, erhalten wir unseren Molekülfilm.

Der Regisseur

Abb. 5: Orientierung des Moleküls Jodbenzol im Raum

In unseren Experimenten möchten wir uns Moleküle in der Gasphase anschauen. In so einer Gaswolke sind allerdings viele gleichartige Moleküle, die wir uns mit den Elektronen alle gleichzeitig anschauen. Die Moleküle  können in die verschiedensten Richtungen zeigen. Unser Bild, das wir mit Hilfe der Elektronen aufnehmen, wird dadurch ganz „verwaschen“. Daher müssen wir Ordnung in dieses Chaos bringen: Dazu benutzen wir einen weiteren Laser (rechts in Abb. 3). Dieser ist so intensiv, dass er eine Kraft auf die Moleküle ausüben kann. Er beeinflusst das Molekül so, dass es sich entlang einer bestimmten Achse ausrichtet (siehe Abb. 5). Zusammen mit einem statischen elektrischen Feld, das durch zwei Feldplatten erzeugt wird (Kondensator), führt das dazu, dass sich alle Moleküle in eine Richtung orientieren. Die Moleküle kann man dabei als Dipole in einem elektrischen Feld betrachten. Wenn die Elektronen nun an den Molekülen streuen, werden alle ähnlich abgelenkt. Das entstehende Streubild ist deutlich verstärkt und leichter zu interpretieren.

Das Filmstudio

Abb. 6: Vakuumapparatur im Labor (Bild: Coherent Imaging Division, Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY))

Wie so etwas im Labor aussieht ist in Abb. 6 zu erkennen: Die Experimente finden im Vakuum statt. Die Moleküle, die wir untersuchen wollen, kommen aus einer Düse, welche die Moleküle mit Helium gemischt in die Vakuumkammer lässt. Das Helium hilft dabei die Moleküle zu transportieren und wird zusätzlich genutzt um sie zu kühlen. Die großen Pumpen sorgen für Hochvakuum (Druck zwischen10-6 und 10-10 mbar) um zu sichern, dass die Elektronen wirklich vor allem an den kontrollierten Molekülen streuen und nicht am Hintergrundgas. Der Molekülstrahl führt dann durch kleine Löcher bis in die letzte Kammer. Dort treffen der Laser und der Elektronenstrahl auf die Moleküle und der Film kann entstehen.

Zusammenfassung

In diesem Forschungsprojekt dient der Laser als Regisseur, der die Moleküle, die Schauspieler in unserem Film, kontrolliert. Mit den gepulsten Elektronenstrahlen als Kamera möchten wir in Zukunft so genannte Molekülfilme aufnehmen, um Strukturveränderungen der Moleküle verfolgen zu können. Daraus kann man beispielsweise lernen, wie Medikamente wirkungsvoller und gezielter hergestellt werden können oder auch wie die molekularen Prozesse in unserer Atmosphäre oder im menschlichen Körper genau ablaufen.

Die Autorin

Nele Müller hat in Heidelberg Physik studiert und ist nun Doktorandin in der Arbeitsgruppe "Controlled Molecule Imaging" am Center for Free-Electron Laser Science, DESY in Hamburg und Stipendiatin der Joachim Herz Stiftung. Das Thema ihrer Doktorarbeit ist die Beugung von Elektronenwellen an kontrollierten Molekülen.  In den letzten Wochen hat Nele Müller sich im Rahmen ihrer Forschung hauptsächlich mit der richtigen Einstellung und Charakterisierung der Elektronenkanone beschäftigt.

Weitere Informationen zum Projekt: http://desy.cfel.de/cid/cmi/

Quellen

Trippel et al., Mol. Phys. 111, Nos. 12-13, 1738-1743 (2013)
Miller et. al., Acta Cryst. A 66, 137-156 (2010)
Dian et al., Science 320, 5878 (2008)
Melnik and Miller, Science 320, 881 (2008)
Williamson et al., Nature 386, 6621 (1997)
Siwick et. al., Science 302, 1382 (2003)
Hensley et al., PRL 109, 133202 (2012)
http://de.wikipedia.org/wiki/Resveratrol
Zaki et al., Journal of Natural Products 76, 679 (2013)

Die gigantischen Rydberg-Moleküle sind dank einer neuartigen Bindungsart so groß wie kleine Viren und bestehen doch nur aus zwei Atomen. Im Jahr 2008 wurden sie erstmals von der Arbeitsgruppe von Prof. Pfau in Stuttgart nachgewiesen. Was ist das besondere an diesen Molekülen, wie entstehen sie und wie kam es zu ihrer Entdeckung?

Theoretische Grundlagen – eine Analogie

Das Besondere an Rydberg-Molekülen ist ihre gigantische Größe, die nur durch eine neue Bindungsart zustande kommen kann. Bei einer der „normalen“ Bindungen, der kovalenten Bindung, befinden sich zwei Atome sehr dicht beieinander und teilen sich zwei Elektronen. Eine Analogie, die ganz von den Atomen und Elektronen weg geht, aber anschaulich die Unterschiede der Bindung verbildlichen soll, sind Kinder, die gerne Bonbons essen. Will man eine kovalente Bindung in diesem Bild verdeutlichen, so kann man sich zwei Kinder vorstellen, die sehr nah beieinander stehen und sich beide an zwei Bonbons festhalten. Sie sind damit sehr stabil aneinander gebunden, mit einem Abstand der durch ihre Armlänge festgelegt ist.

Die Grundlage der neuartigen Bindungsart sind die nach dem schwedischen Physiker Johannes Robert RYDBERG (1854 - 1919) benannten „Rydberg-Atome“. Ein Rydberg-Atom hat ein hoch angeregtes Elektron, das nur noch schwach an den Rest des Atoms gebunden ist (siehe auch Aufgaben 1 und 2 bei LEIFIphysik). Auch wenn es nicht ganz korrekt ist, nutzen Wissenschaftler zur Veranschaulichung des Sachverhaltes gern das Planetenmodell der Atome. Dabei kann man sagen, dass sich das Elektron auf einer Bahn sehr weit entfernt vom Kern bewegt.

In die Analogie mit den Kindern übersetzt, kann man sich diese Atome folgendermaßen vorstellen: Eines der Kinder hat eine lange Schnur in der Hand, an die ein Bonbon gebunden ist. Damit es nicht den Boden berührt und um es nicht fallen zu lassen, dreht das Kind das Bonbon an der Schnur ganz schnell um sich herum.

Da andere Kinder auch Bonbons mögen, „lockt“ es damit ein Kind aus der Nähe an, das das Bonbon sieht und gerne haben möchte. Es wird durch das Bonbon „angezogen“ und bleibt in direkter Nähe zur Flugbahn des Bonbons stehen, so dass die Kinder durch das rotierende Bonbon an der Schnur „aneinander gebunden“ sind.

In der Welt der Atome wird ein zweites Atom durch das hoch angeregte Rydberg-Elektron polarisiert: Das Elektron ist so weit vom Atomrumpf des Rydberg-Atoms entfernt, dass es gerade noch gebunden ist, aber auf ein Nachbaratom wie ein ungebundenes isoliertes Elektron wirkt. Durch die Ladung des Elektrons wird die Elektronenhülle des Nachbaratoms im Grundzustand polarisiert, d.h. die Ladungsverteilung wird verschoben. Das Rydberg-Elektron ruft dadurch schwache elektrische Anziehungskräfte zwischen den beiden Atomen hervor, sodass ein Rydberg-Molekül aus zwei Atomen entsteht [3].

Quantenmechanisch bewegen sich die Elektronen in einem Atom allerdings nicht auf Kreisbahnen, sondern ihr Ort kann nicht genau berechnet werden. Stattdessen kann man nur Wahrscheinlichkeiten für ihren Aufenthaltsort angeben. Diese werden durch eine von Erwin SCHRÖDINGER (1887 - 1961) formulierte Gleichung, die sogenannte Schrödingergleichung, beschrieben. Eine schöne Einführung in das Atommodell von SCHRÖDINGER findest du hier.

Die Wellenfunktion trägt die Information über den wahrscheinlichen Aufenthaltsort des Elektrons. Vom Zentrum des Rydberg Atoms ausgehend, besitzt diese Verteilung abwechselnd Minima und Maxima, d.h. Bereiche von hoher und geringer Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons wechseln sich ab. Nur dort, wo das Elektron häufig zu finden ist, kann es das Nachbaratom festhalten und an das Rydberg-Atom binden (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Veranschaulichung des Rydberg-Moleküls

Oben: Planetenmodell des Rydberg-Moleküls: Das Elektron des Rydberg-Atoms kreist auf einer hochangeregten Bahn und bindet dadurch das zweite Atom, das sich auf seiner Bahn befindet.

Unten: Wahrscheinlichkeitsverteilung des Rydberg-Atoms und das resultierende anziehende Potenzial des Moleküls. Zu erkennen sind die sich abwechselnden Minima und Maxima der Aufenthaltswahrscheinlichkeit.

(Grafik: Universität Stuttgart)

So wie die Entfernung der Kinder direkt durch die Länge der Schnur bestimmt wird, wird die Größe des Moleküls durch den Abstand des Rydberg-Elektrons vom Atomrumpf festgelegt. Damit führt diese neuartige Bindung zu viel größeren Molekülen, als es mit einer normalen Bindung möglich wäre: In der kovalenten Bindung haben die zwei Atome eines Moleküls einen Abstand von rund 0,1 Nanometer, die Atome der Rydberg-Moleküle jedoch sind bis zu 1000 Mal so weit entfernt, d.h. bis zu 100 nm. Damit sind die entstehenden Moleküle größer als ein kleines Virus und gigantisch im Vergleich zu über kovalente oder ionische Bindungen verknüpfte Atome.

In der Analogie mit den Kindern bedeutet das, dass die kovalente Bindung einen Abstand von ca. 1 Meter erlaubt (also ca. 2 Kinderarmlängen). Die Bindung durch das Bonbon an einer Schnur erlaubt jedoch einen Abstand von bis zu 1000 m. Anstatt direkt nebeneinander zu stehen, sind die Kinder dann einen Kilometer voneinander entfernt und doch kurzzeitig aneinander gebunden.

Chancen erkannt - Von der Vorhersage …

Um Rydberg-Moleküle zu erhalten, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. In der Analogie mit den Kindern kann man sich leicht klar machen, dass sich zum einen genügend Kinder in der Nähe des Kindes mit der Bonbonschnur befinden müssen, damit überhaupt eines von dem kreisenden Bonbon „angezogen“ werden kann. Zum anderen müssen die Kinder ruhig stehen, denn wenn sie alle wild umher rennen, hat das Bonbon einen viel zu kleinen Effekt auf die Kinder.

Genauso muss auch die Bewegung der Atome beschränkt sein. Da bei normaler Temperatur die Atome eines Gases wild durcheinander fliegen, werden durch sogenannte Laserkühlung und Verdampfungskühlung ultrakalte Gase erzeugt. Diese erfüllen die notwendigen Rahmenbedingungen: es herrscht eine hohe Dichte und die Bewegungen der Atome sind weitgehend eingefroren, so dass sich die Atome so wenig bewegen, dass ein Atom im Grundzustand durch das hoch angeregte Elektron des Rydberg-Atoms polarisiert und gebunden werden kann.

Ein interessanter Hinweis am Rande: Ultrakalte Gase wurden auch für den Nachweis von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) benötigt: Dabei wird eine Gaswolke von Atomen, für die die Bose-Einstein-Statistik gilt, sehr stark gekühlt und verdichtet, ohne dass die Atome einen Festkörper bilden. Die Atome haben dann sehr wenig Energie: Sie sind alle im sogenannten Grundzustand, d.h. einen Zustand mit weniger Energie können sie nicht einnehmen (in der Kinder-Analogie würden alle Kinder fast still stehen). Die Bose-Einstein-Kondensation eines schwach wechselwirkendes Systems von Bosonen wurde im Jahr 1995 für ein Gas aus Rubidiumatomen nachgewiesen, indem Methoden der Laserkühlung und der Verdampfungskühlung eines in einer magnetischen Falle eingeschlossenen Gases kombiniert wurden (bei der Verdampfungskühlung werden energiereiche Teilchen aus dem System genommen, wodurch das das verbleibende System eine geringere mittlere Energie hat.). Im Jahr 2001 bekamen Wolfgang Ketterle, E.A. Cornell and C.E. Wieman den Nobelpreis „für die Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Gasen aus Alkaliatomen und für frühe grundsätzliche Studien über die Eigenschaften der Kondensate“.

Bereits im Jahr 2000 erkannte Prof. Greene von der Purdue University in West Lafayette, USA die besonderen Gegebenheiten, die sich durch die Realisierung so kalter Gase nun boten. Er stellte eine genaue Theorie auf, wie die neue Bindung und damit die Existenz von Rydberg-Molekülen realisiert werden könnte.

Diese Theorie, die er im Jahr 2000 mit den Koautoren Alan Dickinson und Hossein Sadeghpour veröffentlichte, baute auf Ideen von Enrico Fermi auf: Fermi hatte bereits im Jahr 1934 vorhergesagt, dass ein Atom, das das einsame Elektron eines Rydberg-Atoms „finden“ würde, mit diesem wechselwirken könnte. Doch Fermi hatte nie gedacht, dass diese Theorie in die Realität umgesetzt werden könnte.

Prof. Greene führte nun jedoch genaue Berechnungen durch, wie die Theorie mit den neu geschaffenen ultrakalten Gasen experimentell bewiesen werden könnte.

… zum experimentellen Nachweis

Im Jahre 2008 hat es die Arbeitsgruppe um Prof. Pfau in Stuttgart dann tatsächlich geschafft Rydberg-Moleküle experimentell nachzuweisen.

In ihrem Experiment kühlten die Physiker Rubidium-87-Atome bis auf eine Temperatur von fast minus 273,15 Grad Celsius (3,5 Millikelvin) ab. Daraufhin regten sie ein Elektron mit Laserlicht (480 und 780 Nanometer Wellenlänge) stark an [1]. In der Analogie mit den Kindern bedeutet das, dass die Kinder alle sehr langsam werden und das Bonbon eines Kindes an einer Schnur mit hoher Anstrengung weit nach außen geschleudert wird. Durch diese Anregung schufen sie ein Rydberg-Atom, an das nun durch elektrische Polarisation ein weiteres Rubidium-Atom im Grundzustand schwach binden konnte. Für kurze Lebenszeiten von nur wenigen Millionstel Sekunden bildet sich dadurch ein zweiatomiges Rydberg-Molekül mit einem Atomabstand von bis zu 100 Nanometern [1].

Durch das Rydberg-Atom können auf diese Weise auch noch weitere andere Atome angezogen werden, wodurch Moleküle aus drei (oder mehr) Atomen gebildet werden.

Weitere Entwicklung und Anwendungsmöglichkeiten

Die Eigenschaften der resultierenden Rydberg-Moleküle sind sehr ungewöhnlich und eröffnen die Möglichkeit chemische Reaktionen unter völlig neuen Bedingungen zu studieren. Durch die neuartige Bindung sind die Moleküle zwar einerseits extrem instabil und von bisher nur extrem kurzer Lebensdauer, andererseits sind sie jedoch auch extrem manipulierbar. Diese Eigenschaften können beispielsweise für die Entwicklung hochsensibler Sensoren genutzt werden, da schon die kleinsten Einflüsse von elektrischen oder magnetischen Feldern Änderungen der Bindung bewirken und damit die Moleküle beeinflussen.

Prof. Chris H. Greene

Für seine Forschung auf dem Gebiet der Ryberg-Moleküle erhielt Prof. Chris H. Greene, Distinguished Professor of Physics at Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA, den „Hamburger Preis für theoretische Physik 2013“, der von der Joachim Herz Stiftung in Kooperation mit dem Hamburg Centre for Ultrafast Imaging vergeben wird. In diesem Video erfahrt ihr mehr über Prof. Greene und hier könnt ihr euch einen Vortrag von ihm zu den Rydberg-Molekülen ansehen (beide Videos sind auf Englisch).

Chris H. Greene wurde 1980 an der Universität von Chicago promoviert und war 1980/1981 Post-Doktorand an der Stanford University. Er ging dann an die Louisiana State University, erst als Assistant Professor, dann als Associate Professor und schließlich als Professor für Physik. In den Jahren 1989 bis 2012 war Chris Greene Professor und Fellow am JILA - Joint Institute for Laboratory Astrophysics, ein physikalisches Forschungsinstitut der University of Colorado in Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST). Im Jahr 2012 wechselte er an den Fachbereich Physik der Purdue University.

Quellen

[1] Riesenmolekül so groß wie ein Virus, Jan Oliver Löfken, Wissenschaft aktuell 2009. Auf Welt der Physik: http://www.weltderphysik.de/gebiete/atome/nachrichten-atome-und-licht/20...
[2] Moleküle aus Rydberg-Atomen, Björn Butscher, Vera Bendkowsky, Tilman Pfau, Physik in unserer Zeit Volume 40, Issue 4, pages 173–174, Juli 2009
[3] http://www.rwscharf.homepage.t-online.de/faz09/faz0527.html

Druckversion

RSS - Reise in die Forschung abonnieren