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24.10.2016 11:24

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

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. 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.

Zwei Wasserstoffatome bilden das einfachste Molekül des Universums. Dennoch stellten kontrollierte Stöße dieser Moleküle mit hoch angeregten Helium-Atomen ein internationales Forschungsteam aus Kassel, Israel, Polen und den Niederlanden vor ein großes Rätsel. Berechnungen von Dr. Wojciech Skomorowski und Prof. Dr. Christiane Koch von der Universität Kassel sowie Kollegen aus Polen und den Niederlanden lieferten 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 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.“

Beteiligt waren neben dem Kasseler Team Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten in Torun (Polen), Haifa (Israel) und Nijmegen (Niederlande).

Das Paper unter DOI 10.1038/nphys3904
Link zum Text: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3904.html


Kontakt:
Prof. Dr. Christiane Koch
Universität Kassel
Fachgebiet Theoretische Physik III/ Quantendynamik und -kontrolle
Vorzugsweise per E-Mail: christiane.koch@uni-kassel.de
Tel.: +49 561 804-4407