Magazin

Seit den ersten erfolgreichen Experimenten zur Laserkühlung — der Abbremsung von Atomen durch kontrollierte Absorption von Laserlicht Ende der 1970er Jahre — hat sich die Untersuchung von ultrakalten Gasen zu einem überaus dynamischen Forschungsgebiet entwickelt.1 In jüngster Zeit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Techniken zur Kühlung von Molekülen auf Temperaturen von unter einem Kelvin in der Gasphase zu entwickeln.2, 3 Solche kalten Moleküle werden zunehmend auch für chemische Anwendungen interessant.4, 5 
Nicht alle chemischen Reaktionen frieren bei tiefer Temperatur ein. Eine wichtige Klasse von Reaktionen, nämlich solche ohne Aktivierungsenergie, laufen dann sogar schneller ab. Hierzu zählen zahlreiche Reaktionen mit Ionen und freien Radikalen.6 Eine Untersuchung dieser Prozesse dient dem Verständnis von chemischen Umgebungen, in denen von Natur aus sehr tiefe Temperaturen herrschen, z. B. dem interstellaren Raum.
Bei Temperaturen von unter einem Kelvin gewinnen zudem spezifisch quantenmechanische Effekte für die chemische Reaktivität an Bedeutung, die bei höheren Temperaturen wegen thermischer Mittelung oft nur schwer zu beobachten sind.5, 7 Hierzu gehören Tunnelbewegungen durch dynamische Energiebarrieren und das Auftreten reaktiver Resonanzen. Letztere können zu starken Schwankungen der Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb von kleinen Temperaturintervallen führen.
Darüber hinaus hängen nahe am absoluten Temperaturnullpunkt wichtige Reaktionseigenschaften wie der Reaktionsmechanismus, die Energieverteilung der Produkte und die Reaktionsgeschwindigkeit sehr empfindlich vom Quantenzustand der Reaktanden ab.


<h2>Herstellung von kalten Molekülen</h2>
Voraussetzung für die Untersuchung chemischer Prozesse bei tiefen Temperaturen ist die Erzeugung kalter molekularer Gase. Laserkühlung als wichtigste Technik zur Kühlung von Atomen lässt sich aufgrund der komplexeren Energieniveaustruktur nicht allgemein auf Moleküle anwenden. Deshalb sind alternative Methoden nötig.
Vielfach führen solche Kühlexperimente zu Ensembles von Molekülen, in denen kein thermisches Gleichgewicht vorliegt, das die Definition einer einheitlichen Temperatur zulassen würde. Die Bezeichnung kalt wird daher üblicherweise im Sinne einer tiefen translatorischen Temperatur verwendet; sie sagt jedoch nichts über die Energieverteilung in den internen molekularen Freiheitsgraden wie Rotation und Vibration aus. Konventionsgemäß werden Moleküle mit translatorischer Temperatur Ttrans  &lt;  1 K als kalt, Moleküle mit Ttrans &lt;  1 mK als ultrakalt bezeichnet.
Die heute verfügbaren Kühlmethoden für Moleküle zwingen zu einem Kompromiss zwischen chemischer Vielfalt einerseits und Temperatur andererseits (Abbildung 1). Die tiefsten Temperaturen (bis zu einigen zehn Nanokelvin) lassen sich derzeit mit Experimenten erzielen, die Moleküle aus ultrakalten Atomen synthetisieren.8 Da der methodische Ausgangspunkt zur Herstellung ultrakalter atomarer Gase stets die Laserkühlung ist, sind diese Methoden auf Dimere von laserkühlbaren Atomen beschränkt, z. B. Cs2, Rb2 und KRb.
Eine chemisch vielfältigere Palette von kalten Molekülen entsteht mit Techniken, die auf die direkte Kühlung eines Ensembles von warmen Molekülen abzielen. Diese Methoden erzielen derzeit translatorische Temperaturen im Bereich von Kelvin bis Millikelvin. Zu ihnen zählen die Abbremsung von Molekularstrahlen in elektrischen oder magnetischen Feldern (Stark- bzw. Zeeman-Entschleunigung),9,10) die Kühlung mit kryogenen Puffergasen11) oder die Erzeugung von langsamen Molekülen durch Stöße mit wohldefinierter Energie.12 Als weitere Möglichkeit lassen sich die langsamsten Moleküle aus einem thermischen Ensemble abtrennen (Geschwindigkeitsselektion).13,14) 


<h2>Ultrakalte Chemie</h2>
Einen Durchbruch für die Untersuchung chemischer Prozesse bei extrem tiefen Temperaturen bedeutete die erstmalige Herstellung von ultrakalten Alkali-Dimeren im rovibratorischen Grundzustand.15 Dadurch wurde in den letzten beiden Jahren erstmals die Untersuchung quantenzustandsselektierter, reaktiver Stöße zwischen Molekülen im Sub-Mikrokelvin-Bereich möglich. So ließ sich für die Reaktion KRb + KRb ! K2 + Rb2 die wichtige Rolle von dynamischen Energiebarrieren (Zentrifugalbarrieren) belegen.16 Sie entstehen durch die Drehbewegung der Reaktanden im Verlauf eines reaktiven Stoßes.
Zudem wurde der Einfluss elektrischer Felder auf das Stoßverhalten der Moleküle charakterisiert.17 Bereits diese ersten Experimente mit Alkali-Dimeren weisen auf das beträchtliche Potenzial von Kalte-Molekül-Techniken zur Untersuchung chemischer Vorgänge hin.


<h2>Kalte Ionen</h2>
Eine besondere Form von kalter Materie sind kalte Ionen in Ionenfallen.4 Werden Ionen auf Temperaturen im Millikelvin-Bereich abgekühlt, z. B. durch Laserkühlung, sammeln sich diese in der Falle und bilden geordnete Strukturen, die als Coulomb-Kristalle bezeichnet werden. Es handelt sich hierbei nicht um Festkörper im kristallographischen Sinn, sondern um lokalisierte Kationen in der Gasphase. Unter diesen Bedingungen lassen sich einzelne Ionen beobachten, ansteuern und manipulieren.
Die bei der Laserkühlung von den Ionen abgegebene Fluoreszenz kann ortsaufgelöst abgebildet werden. Abbildung 2a zeigt ein Falschfarben-Fluoreszenzbild eines Coulomb-Kristalls, bei dem jeder einzelne Fluoreszenzpunkt ein lasergekühltes Calciumion darstellt. Den Abstand der Ionen zueinander bestimmt die Coulomb-Abstoßung zwischen den Ionen sowie das Fallenpotenzial. Üblicherweise beträgt dieser Abstand einige zehn Mikrometer.
Für die Herstellung molekularer Coulomb-Kristalle hat sich in den letzten Jahren die sympathetische Kühlung als breit anwendbare Methode etabliert.4) Dabei werden in einer Ionenfalle molekulare Ionen zusammen mit lasergekühlten atomaren Ionen eingeschlossen. Durch die Coulomb-Wechselwirkung tauschen die Ionen kinetische Energie aus. Diese Energie wird schließlich durch Laserkühlung von der atomaren Spezies abgeführt. Das Resultat ist ein Zweikomponenten-Coulomb-Kristall aus lokalisierten molekularen und atomaren Ionen. Da die molekularen Ionen nicht fluoreszieren, sind sie in den Fluoreszenzbildern nur indirekt sichtbar, beispielsweise (siehe Abbildung 2) als ein dunkler Kern von N2+-Ionen, den lasergekühlte Ca+-Ionen umgeben.


<h2>Kalte Ionen-Molekülchemie</h2>
Coulomb-Kristalle sind aus einer Reihe von Gründen interessant: Sie bieten die Möglichkeit, Prozesse an einzelnen Ionen zu beobachten und eröffnen so neue Wege zur Untersuchung von chemischen Reaktionen auf der Ebene einzelner Moleküle.4,18,19) Höchstempfindliche massenspektrometrische Experimente mit einzelnen Ionen wurden ebenfalls bereits realisiert.20 
Da die Ionen mit elektrischen Feldern im Ultrahochvakuum gefangen und durch die Kühlung lokalisiert werden, lassen sich Wechselwirkungen mit der Umgebung genau kontrollieren. Dies ist eine wesentliche Voraussetzungen für hochgenaue spektroskopische Messungen sowie für Anwendungen in der Quanteninformation.21,22) 
Zur Untersuchung kalter chemischer Prozesse müssen Coulomb-Kristalle mit einer Quelle für kalte neutrale Moleküle kombiniert werden, z. B. mit Atomfallen oder mit einem Geschwindigkeitsselektor.18,23) Die ersten derartigen Experimente untersuchten, ob die gängigen Modelle der Ionenchemie bei tiefen Temperaturen anwendbar sind. Die Ergebnisse wiesen auf die Bedeutung flacher Energiebarrieren für Ionen-Molekülreaktionen hin.


<h2>Quantenzustandspräparation</h2>
Ein wesentliches Handicap der bisherigen Experimente bestand in der unzureichenden Präparation des internen (rotatorisch-vibratorischen) Quantenzustands der molekularen Ionen. Die Untersuchungen fanden deshalb mit translatorisch kalten, aber rotatorisch warmen Reaktionspartnern statt.
Bisher wurden molekulare Coulomb-Kristalle aus Ensembles warmer molekularer Ionen hergestellt; ihre internen Freiheitsgrade standen aufgrund der langen Verweilzeiten in der Falle (typischerweise einige Minuten) im thermischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Raumtemperatur-Schwarzkörperstrahlungsfeld. Sympathetische Kühlung beeinflusst dabei nur die translatorischen Freiheitsgrade, nicht jedoch die interne Energieverteilung der Ionen, da die Coulomb-Wechselwirkung nicht auf Rotation und Vibration der Moleküle wirkt.24 
Ein Lösungsansatz besteht darin, die breite Population von rotatorischen Zuständen in einem einzigen Rotationsniveau durch optisches Pumpen zu konzentrieren (Populationstransfer mit Laserstrahlung). Derartige Experimente wurden kürzlich an Coulomb-kristallisierten MgH+- und HD+-Ionen realisiert.25,26) Eine grundlegende Schwierigkeit dieser Methode ist jedoch die rasch abnehmende Effizienz der Populationskonzentration mit zunehmender Komplexität des Moleküls. Eine alternative Technik stellt deshalb die betreffenden molekularen Ionen im gewünschten Quantenzustand spezifisch her, beispielsweise mit Photoionisation, gefolgt von sympathetischer Kühlung der translatorischen Freiheitsgrade.27 
Jüngste Untersuchungen mit rotatorisch selektiv hergestellten N2+-Ionen zeigen, dass der Quantenzustand im Verlauf der sympathetischen Kühlung nicht zerstört wird und über Minuten in der Ionenfalle erhalten bleibt. Diese Entwicklungen legen den Grundstein für vollständig quantenzustandsselektierte, kalte Ionen-Molekül-Chemie in naher Zukunft.


<h2>— — — QUERGELESEN</h2>
Die Untersuchung chemischer Prozesse bei Temperaturen von unter einem Kelvin ist ein in den letzten Jahren neu entstandenes Forschungs- gebiet.
In diesem Temperaturbereich wird unter anderem die Untersuchung chemischer Reaktionen anhand einzelner lokalisierter Moleküle möglich.
Neuartige experimentelle Techniken erlauben die präzise Wahl der kinetischen Energie und des Quantenzustands der Reaktionspartner. So lassen sich chemische Vorgänge umfassend steuern.


— — — Stefan Willitsch studierte Interdisziplinäre Naturwissenschaften an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich und promovierte dort in physikalischer Chemie im Jahr 2004. Nach Aufenthalten an der Universität Oxford und dem University College London ist er seit 2008 Assistenzprofessor am Departement Chemie der Universität Basel. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Erzeugung kalter Moleküle und Ionen und deren chemische Anwendungen.



<ul>
<li>
1 


H. J. Metcalf,
P. van der Straten: 
<source>Laser Cooling and Trapping, <publisher-name>Springer</publisher-name>, <publisher-loc>New York</publisher-loc>, 1999.

</li>
<li>
2 

 
L. D. Carr, 
D. DeMille, 
R. V. Krems, 
J. Ye: 
<source>New J. Phys., 
2009, 
11, 
055049.
</li>
<li>
3 

 
M. Schnell, 
G. Meijer: 
<source>Angew. Chem. 
2009, 
121, 
6124.
</li>
<li>
4 

 
S. Willitsch, 
M. T. Bell, 
A. Gingell, 
T. P. Softley: 
<source>Phys. Chem. Chem. Phys., 
2008, 
10, 
7200.
</li>
<li>
5 

 
R. V. Krems: 
<source>Phys. Chem. Chem. Phys., 
2008, 
10, 
4079.
</li>
<li>
6 

 
I. W. M. Smith: 
<source>Angew. Chem., 
2006, 
118, 
2908.
</li>
<li>
7 

 
P. F. Weck, 
N. Balakrishnan: 
<source>Int. Rev. Phys. Chem., 
2006, 
25, 
283.
</li>
<li>
8 

 
T. Köhler, 
K. Gorál, 
P. S. Julienne: 
<source>Rev. Mod. Phys., 
2006, 
78, 
1311.
</li>
<li>
9 

 
S. Y. T. van de Meerakker, 
H. L. Bethlem, 
G. Meijer: 
<source>Nat. Phys., 
2008, 
4, 
595.
</li>
<li>
10 

 
S. D. Hogan, 
D. Sprecher, 
M. Andrist, 
N. Vanhaecke, 
F. Merkt: 
<source>Phys. Rev. A, 
2007, 
76, 
023412 
</li>
<li>
11 

 
J. D. Weinstein, 
R. de Carvalho, 
T. Guillet, 
B. Friedrich, 
J. M. Doyle: 
<source>Nature, 
1998, 
395, 
148.
</li>
<li>
12 

 
M. S. Elioff, 
J. J. Valentini, 
D. W. Chandler: 
<source>Science, 
2003, 
302, 
1940.
</li>
<li>
13 

 
S. A. Rangwala, 
T. Junglen, 
T. Rieger, 
P. W. H. Pinkse, 
G. Rempe: 
<source>Phys. Rev. A, 
2003, 
67, 
043406.
</li>
<li>
14 

 
M. Bell, 
A. Gingell, 
J. Oldham, 
T. P. Softley, 
S. Willitsch: 
<source>Faraday Discuss., 
2009, 
142, 
73.
</li>
<li>
15 

 
S. Ospelkaus, 
K.-K. Ni, 
G. Quemener, 
B. Neyenhuis, 
D. Wang, 
M. H. G. de Miranda, 
J. L. Bohn, 
J. Ye, 
D. S. Jin: 
<source>Phys. Rev. Lett., 
2010, 
104, 
030402.
</li>
<li>
16 

 
S. Ospelkaus, 
K.-K. Ni, 
D. Wang, 
M. H. G. de Miranda, 
B. Neyenhuis, 
G. Quemener, 
P. S. Julienne, 
J. L. Bohn, 
D. S. Jin, 
J. Ye: 
<source>Science, 
2010, 
327, 
853.
</li>
<li>
17 

 
K.-K. Ni, 
S. Ospelkaus, 
D. Wang, 
G. Quemener, 
B. Neyenhuis, 
M. H. G. de Miranda, 
J. L. Bohn, 
J. Ye, 
D. S. Jin: 
<source>Nature, 
2010, 
464, 
1324.
</li>
<li>
18 

 
S. Willitsch, 
M. Bell, 
A. Gingell, 
S. R. Procter, 
T. P. Softley: 
<source>Phys. Rev. Lett., 
2008, 
100, 
043203.
</li>
<li>
19 

 
P. F. Staanum, 
K. Højbjerre, 
R. Wester, 
M. Drewsen: 
<source>Phys. Rev. Lett., 
2008, 
100, 
243003.
</li>
<li>
20 

 
M. Drewsen, 
A. Mortensen, 
R. Martinussen, 
P. Staanum, 
J. L. Sorensen: 
<source>Phys. Rev. Lett., 
2004, 
93, 
243201.
</li>
<li>
21 

 
T. Rosenband, 
D. B. Hume, 
P. O. Schmidt, 
C. W. Chou, 
A. Brusch, 
L. Lorini, 
W. H. Oskay, 
R. E. Drullinger, 
T. M. Fortier, 
J. E. Stalnaker, 
S. A. Diddams, 
W. C. Swann, 
N. R. Newbury, 
W. M. Itano, 
D. J. Wineland, 
J. C. Bergquist: 
<source>Science, 
2008, 
319, 
1808.
</li>
<li>
22 

 
H. Häffner, 
C. F. Roos, 
R. Blatt: 
<source>Phys. Rep., 
2008, 
469, 
155.
</li>
<li>
23 

 
A. T. Grier, 
M. Cetina, 
F. Orucevic, 
V. Vuletic: 
<source>Phys. Rev. Lett., 
2009, 
102, 
223201.
</li>
<li>
24 

 
A. Bertelsen, 
S. Jorgensen, 
M. Drewsen: 
<source>J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 
2006, 
39, 
L83.
</li>
<li>
25 

 
P. F. Staanum, 
K. Højbjerre, 
P. S. Skyt, 
A. K. Hansen, 
M. Drewsen: 
<source>Nat. Phys., 
2010, 
6, 
271.
</li>
<li>
26 

 
T. Schneider, 
B. Roth, 
H. Duncker, 
I. Ernsting, 
S. Schiller: 
<source>Nat. Phys., 
2010, 
6, 
275.
</li>
<li>
27 

X. Tong, A. Winney, S. Willitsch, arXiv: 1006.5642v1.
</li>
</ul>

Artikel

Nahe am Nullpunkt

Seit den ersten erfolgreichen Experimenten zur Laserkühlung — der Abbremsung von Atomen durch kontrollierte Absorption von Laserlicht Ende der 1970er Jahre — hat sich die Untersuchung von ultrakalten Gasen zu einem überaus dynamischen Forschungsgebiet entwickelt.1 In jüngster Zeit wurden erheblic...

Nicht nur Chemie erwartet die Besucher des 3. Euchems Chemistry Congress vom 29. August bis 2. September in Nürnberg. Die zweitgrößte Stadt Bayerns lädt zur Besichtigung von historischen Bauten und Museen ein, mit Pausen in den Parks.
Obwohl weltweit bekannt für den Christkindlesmarkt, lässt sich auch in August und September viel unternehmen. Historisch interessierte Chemiker sollten sich auf den Stadtrundgang ”Historische Meile Nürnberg“ machen. Die 35 wichtigsten historischen Sehenswürdigkeiten wie Lorenzkirche, Kettensteg und Pilatushaus werden auf Tafeln am jeweiligen Bauwerk beschrieben. Die Nürnburger Architektur reicht von Romantik über Renaissance und Barock bis hin zu Jugendstil und Moderne.
Am 30. August um 20 Uhr findet das Kongresskonzert in der Kirche St. Sebald statt. Karten gibt es für zehn Euro. Am 1. September feiern die Chemiker ab 19 Uhr auf der Kongress-C60-Party unter dem Motto ”Chemistry meets Soccer“ im Stadion. Karten kosten für Schüler und Studenten 48 Euro, alle anderen zahlen 10 Euro mehr.


<h2>Auf den Spuren Dürers</h2>
Kunstinteressierte Tagungsteilnehmer folgen den Spuren Albrecht Dürers, der von 1509 bis zu seinem Tod im Jahre 1528 in Nürnberg lebte. Das Albrecht-Dürer-Haus in der Nähe der Kaiserburg ist heute ein Museum. Hier sind auf drei Etagen Wohnräume nachgebaut und Mal- und Druckwerkzeuge ausgestellt.
Anlaufpunkte für Museumsbegeisterte sind das Germanische Nationalmuseum, der Historische Kunstbunker, das Museum für Kommunikation oder das Spielzeugmuseum. Das Hands-on-Museum Turm der Sinne spricht alle Sinne an: Hier im Nürnberger Mohrenturm beschäftigen sich die Besucher mit dem Sein und wie man dieses vom Schein unterscheidet.


<h2>Luft schnappen</h2>
Eine schöne Aussicht bietet der Schmausenbuck, eine Erhöhung inmitten des Nürnberger Reichswalds östlich der Stadt. An diesen grenzt der Tiergarten Nürnberg.
Ausflugsziel ist das Schloss Neunhof mit seinem barocken Schlossgarten. Im ehemaligen Herrensitz ist die Jagdsammlung des Germanischen Nationalmuseums integriert. Im Stadtteil St. Johannis laden die Hesperidengärten zu einem Spaziergang ein. Der Verein Geschichte für Alle organisiert Führungen durch die mit Figuren und Brunnen bestückten ehemaligen Privatgärten.


<h2>Rostbratwurst im Weckla</h2>
Nürnberger Rostbratwürste, ob im Brötchen oder mit Sauerkraut, sind Spezialität der fränkischen Küche. Ist gerade keine Weihnachts-, also Lebkuchenzeit, gibt es Knieküchle, die zur Kirchweih im Sommer dazugehören.


<h2>Sagenhaftes Nürnberg</h2>
Die Stadt ist mit Sagen, Legenden und Anekdoten verbunden: Eppelein von Gailingen, ein fränkischer Raubritter, ist mit seinem Pferd über die Burgmauer gesprungen und so aus dem Gefängnis entkommen. Der Stadtpatron St. Sebaldus hat nicht nur zahlreiche Wunder gewirkt, sondern wollte angeblich auch so lange nicht ruhen, bis man die Sebalduskirche errichtete. Kunigunde von Orlamünde hat ihre beiden Kinder ermordet, nachdem sie eine Äußerung des geliebten Burggrafen von Nürnberg missverstanden hatte, tat Buße und gründete das Kloster Himmelsthron.


<h2>Hin und in Nürnberg</h2>
Sowohl mit Auto als auch Zug oder Flugzeug ist Nürnberg leicht zu erreichen. Von Hamburg, Berlin und Karlsruhe fahren die ICE/IC-Züge direkt. Alle Flughäfen in Deutschland bieten Flüge nach Nürnberg an.
Bus, S-Bahn und U-Bahn verbinden alle Stadtteile miteinander. Tageskarten gibt es ab 4 Euro.
Ob Jugendherberge oder Luxushotel: In Nürnberg gibt es Unterkünfte für jeden Geschmack und Geldbeutel. Eine schöne Jugendherberge ist in der Kaiserburg hoch über der Altstadt. Hier gibt es Übernachtung und Frühstück ab 23,10 Euro.
Verena Sesin, Frankfurt

Artikel

Nahe am Nullpunkt

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...