Quanteneffekte bei Wasserstoff- und Edelgaskollisionen nachgewiesen

5. Juni 2023

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Ein Forschungsteam der Freien Universität Berlin um die Quantenphysikerin Professorin Christiane Koch hat gezeigt, wie sich Wasserstoffmoleküle verhalten, wenn sie mit Edelgasatomen wie Helium oder Neon kollidieren. In einem in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher, wie sie mithilfe von Simulationen Verbindungen zwischen Daten aus Experimenten und theoretischen Modellen der Quantenphysik herstellten.

Die Studie umfasst theoretische Berechnungen sowie Daten aus Experimenten mit Atomen und Molekülen, die an der TU Dortmund und dem Weizmann Institute of Science in Israel durchgeführt wurden. Das Team konnte zeigen, dass Kollisionen die Art und Weise verändern, wie die Moleküle nach den Gesetzen der Quantenmechanik schwingen und rotieren. Die Forschung auf dem Gebiet der Quantenmechanik gewinnt in der heutigen Welt immer mehr an Bedeutung. Erkenntnisse wie diese können bei der Entwicklung von Mobiltelefonen, Fernsehern, Satelliten und in der medizinischen Diagnosetechnik Anwendung finden.

Der hier beobachtete Quanteneffekt ist als Feshbach-Resonanz bekannt. „Nach der Kollision gehen Wasserstoffmolekül und Edelgasatom für einen kurzen Moment eine chemische Bindung ein und trennen sich dann wieder“, erklärt Professor Koch von der Freien Universität Berlin.

Trotz der äußerst detaillierten Messungen und Berechnungen für ein vergleichsweise kleines und einfaches System sind Forscher jedoch noch weit davon entfernt, die vollständigen quantenmechanischen Eigenschaften der Wasserstoff-Edelgas-Kollision zu rekonstruieren. „Das liegt an einem der Grundphänomene der Quantenmechanik: Wenn es um Messungen geht, kommt man an den Grundprinzipien der klassischen Physik nicht vorbei. Das führt zu einem Dilemma: Wir sind in der Lage, bestimmte Phänomene der Quantenmechanik mathematisch zu beschreiben.“ „Wir verstehen zwar abstrakte Begriffe, müssen aber dennoch auf Konzepte der klassischen Physik zurückgreifen, um sie vollständig zu verstehen“, erklärt Koch.

Quanteneffekte – also Verhaltensweisen, die mit den Regeln der klassischen Physik nicht erklärt werden können – treten auf, wenn Atome und Moleküle nicht mehr ausreichend durch ihren Platz und die Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen, beschrieben werden können. „Sie weisen Eigenschaften auf, die wir mit Wellenausbreitung assoziieren, etwa Interferenz, also die konstruktive oder destruktive Schichtung von Wellen“, sagt Koch. Darüber hinaus gibt es noch andere Phänomene wie die Verschränkung, die auftritt, wenn quantenmechanische Objekte trotz räumlicher Entfernung einen unmittelbaren Einfluss aufeinander ausüben.

Quanteneffekte treten typischerweise im Bereich sehr kleiner Objekte wie Atome und Moleküle auf und wenn diese Objekte kaum von ihrer Umgebung beeinflusst werden. Letzteres wird für sehr kurze Zeiträume oder bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) erreicht. „Unter diesen Umständen stehen diesen Teilchen nur wenige sogenannte Quantenzustände zur Verfügung. Das System verhält sich grundsätzlich geordnet“, sagt Koch.

Höhere Temperaturen ermöglichen eine größere Anzahl von Quantenzuständen in den Teilchen, und quantenmechanische Effekte gleichen sich tendenziell aus, wenn sie als statistischer Durchschnitt über verschiedene Zustände verteilt sind, und verschwinden daher praktisch aus dem Blickfeld. In diesem Zustand verhält sich das System eher zufällig und kann statistisch beschrieben werden. Bisher zeigten selbst die kältesten Atom-Molekül-Kollisionen dieses statistisch vorhersehbare Verhalten. „Das hat es nahezu unmöglich gemacht, Rückschlüsse auf die Wechselwirkung zwischen den Atomen und Molekülen zu ziehen, sodass wir keinen direkten Zusammenhang zwischen realen experimentellen Daten und theoretischen Modellen herstellen konnten“, erklärt Koch.

Mehr Informationen: Baruch Margulis et al., Tomographie der Feshbach-Resonanzzustände, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adf9888

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