idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Grafik: idw-Logo

idw - Informationsdienst
Wissenschaft

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instanz:
Teilen: 
19.05.2022 09:07

Ionen und Rydberg-Atome: David bindet mit Goliath

Andrea Mayer-Grenu Abteilung Hochschulkommunikation
Universität Stuttgart

    Forscher am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart haben einen neuartigen Bindungstyp nachgewiesen, der ein winziges geladenes Teilchen und ein nach atomaren Verhältnissen riesiges Rydbergatom zu einem Molekül verschmelzen lässt. Mithilfe eines selbst entwickelten Ionenmikroskops konnten sie dieses Molekül erstmals räumlich aufgelöst beobachten. Die Ergebnisse sind am 18. Mai 2022 in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ erschienen.

    Wenn einzelne Teilchen wie Atome und Ionen Bindungen miteinander eingehen, entstehen daraus Moleküle. Solche Bindungen entstehen zum Beispiel, wenn zwei Teilchen unterschiedlich elektrisch geladen sind und sie sich daher anziehen. Das Molekül, das die Forschenden der Universität Stuttgart beobachteten, weist dabei eine Besonderheit auf: Es besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Ion und einem neutralen Atom, welches sich in einem sogenannten Rydbergzustand befindet. Ein solches Rydberg-Atom ist auf ein tausendfaches seiner üblichen Größe angewachsen. Die Anbindung wird möglich, weil die Ladung des Ions das neutrale Rydbergatom in einer ganz spezifischen Weise verformt.

    Rubidiumwolke wird nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt

    Zum Nachweis und der Untersuchung des Moleküls präparierten die Forschenden eine ultrakalte Atomwolke aus Rubidium, die sie bis nahe an den absoluten Nullpunkt von -273°C abkühlten. Nur bei diesen tiefen Temperaturen reicht die Kraft für eine Bindung. In solchen ultrakalten Wolken werden gezielt einzelne Atome mit Hilfe von Lasern ionisiert und so der erste Baustein des Moleküls – das Ion – präpariert. Weitere Laserstrahlen versetzen ein zweites Atom in den Rydbergzustand. Dieses Riesenatom wird durch das elektrische Feld des Ions verformt. Interessanterweise kann die Verformung je nach Abstand der beiden Teilchen sowohl anziehend als auch abstoßend sein, sodass die Bindungspartner um einen Gleichgewichtsabstand pendeln. Dieser Mechanismus bewirkt die Molekülbindung. Der Abstand zwischen den beiden Bindungspartnern ist ungewöhnlich groß und beträgt ungefähr ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares.

    Mikroskopie mit elektrischen Feldern

    Möglich wurde die Beobachtung durch ein besonderes Ionenmikroskop, das die Forschungsgruppe am 5. Physikalischen Institut in enger Zusammenarbeit mit den Werkstätten der Universität Stuttgart selbst entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen hat. Im Gegensatz zu üblichen Mikroskopen arbeitet dieses nicht mit Licht, sondern nutzt die Möglichkeit, geladene Teilchen durch elektrische Felder in ihren Bewegungen zu beeinflussen. Die Position der Teilchen kann damit vergrößert abgebildet werden. „Mit diesem Mikroskop konnten wir das frei fliegende Molekül und seine Bestandteile direkt beobachten und sehen, wie dieses sich in unserem Experiment ausrichtet“, erklärt Nicolas Zuber, Doktorand am 5. Physikalischen Institut, die Ergebnisse.

    Im nächsten Schritt soll dieses ungewöhnliche Molekül dazu verwendet werden, um dynamische Prozesse innerhalb des Moleküls zu untersuchen. Dabei kommt auch hier das Ionenmikroskop zum Einsatz, um Rotationen oder auch Vibrationen des Moleküls zu untersuchen. Aufgrund der schieren Größe und schwachen Bindung des Moleküls, laufen diese Vorgänge sehr viel langsamer ab als in den sonst üblichen Molekülen. Die Forscher erhoffen sich auf diese Weise detailliertere Kenntnisse über die innere Struktur des Moleküls zu erlangen.


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Nicolas Zuber, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel.: +49 (0)711 685 64977, E-Mail n.zuber@physik.uni-stuttgart.de


    Originalpublikation:

    Nicolas Zuber, Viraatt S. V. Anasuri, Moritz Berngruber, Yi-Quan Zou, Florian Meinert, Robert Löw, Tilman Pfau: "Observation of a molecular bond between ions and Rydberg atoms", Nature 19. Mai 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04577-5,


    Weitere Informationen:

    https://www.nature.com/articles/s41586-022-04577-5 Artikel in Nature
    https://www.uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/meldungen/Ionen-und-Rydberg-... Pressemitteilung


    Bilder

    Vakuumkammer, die für die Versuche verwendet wurde.
    Vakuumkammer, die für die Versuche verwendet wurde.
    Nicolas Zuber
    Universität Stuttgart,


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten, Wissenschaftler
    Physik / Astronomie
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


     

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).