Wie man Atome bündelt
Wir lernen schon in jungen Jahren, dass Atome und Moleküle gerne auseinanderfliegen. Wenn man in einem Haus eine Tür zwischen zwei Räumen öffnet, passiert es nie, dass sich alle Luft plötzlich in ein Zimmer drängt, sodass man im anderen nicht mehr atmen kann. Das liegt an der Entropie, der Tendenz aller Materie zur Unordnung. Dieses atomare Bestreben, auseinanderzufliegen, muss man allerdings überwinden, um extrem kurze Pulse (von einer milliardstel Sekunde oder noch kürzer) von Atomen oder Molekülen zu erzeugen. Wissenschaftler arbeiten bereits seit Langem mit kurzen Lichtpulsen – Lasern sei Dank. Doch wie kann dies auch mit Atomen funktionieren? „Um das zu erreichen, muss man die Entropie auf den Kopf stellen“, erklärt Alec Wodtke, Direktor am MPI für biophysikalische Chemie und Professor am Institut für physikalische Chemie an der Universität Göttingen. „Man könnte auch sagen: Wir müssen die Atome dazu bringen, sich rückwärts zu bewegen. Wir müssen ihnen beibringen, sich bündeln zu wollen anstatt auseinanderzufliegen.“
Wodtke und seine Mitarbeiter in der Abteilung Dynamik an Oberflächen am MPI für biophysikalische Chemie haben nun herausgefunden, wie sich genau dies erreichen lässt. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Journals Nature Communications. Die Forscher nutzen dazu eine Technik, die sie bunch-compression photolysis nennen: Mit einem sehr kurzen Laserpuls dissoziieren sie das einfache zweiatomige Molekül HI, bestehend aus einem Wasserstoff- und einem Iodatom. Dieses HI-Molekül wurde zuvor auf etwa fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, um seine Entropie zu reduzieren. Die Frequenzen des Lichtpulses sind in einer Linie geordnet, sodass Photonen mit hoher Energie (das heißt, die blauen) sich auf der linken Seite befinden und Photonen mit niedriger Energie (die roten) auf der rechten. Wenn dieser speziell vorbereitete Lichtpuls das HI-Molekül dissoziiert, treten die Wasserstoffatome in einem Bündel aus, bei dem sich die schnellen Atome auf der linken Seite befinden und die langsamen auf der rechten. „Sie erinnern sich an die Energie des Photons, das sie dissoziiert hat“, sagt Sven Kaufmann, Doktorand in der Abteilung von Alec Wodtke. „Dadurch entsteht eine Situation wie in einem Autorennen, in der schnelle Atome die langsamen überholen.“
„Das führt zu einer Bündelung der Wasserstoffatome“, ergänzt Dirk Schwarzer, Projektgruppenleiter am MPI für biophysikalische Chemie und einer der Forscher, die daran beteiligt waren, die neue Technik anzuwenden und zu verstehen. „Tatsächlich erzeugt dieser Effekt Pulse von Wasserstoffatomen, die bereits 100 Mal kürzer sind als alle jemals zuvor erzeugten. Und Berechnungen zufolge können wir sie noch viel kürzer machen.“
„Wir hoffen, dass wir so zeitlich aufgelöste Experimente durchführen können, die durch Kollisionen angestoßen werden“, betont sein Kollege Oliver Bünermann. Er untersucht bereits Kollisionen von Wasserstoffatomen mit Metalloberflächen. „Forscher wissen seit Langem, wie sie sehr schnelle Vorgänge beobachten können, die in photochemischen Reaktionen ablaufen. Der Trick ist hier, ultrakurze Laserpulse zu nutzen, um die Reaktion in Gang zu setzen. Aber die meisten chemischen Reaktionen benötigen kein Licht, sondern erfolgen „im Dunkeln“ ausgelöst durch Stöße. Bunch-compression photolysis macht es möglich, eine komplett neue Art von Experiment durchzuführen, bei der Reaktionen durch Kollisionen mit einem ultrakurzen Atompuls initiiert werden.“ (amw)
