{"id":10837,"date":"2016-12-06T18:00:12","date_gmt":"2016-12-06T17:00:12","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=10837"},"modified":"2016-12-07T10:32:04","modified_gmt":"2016-12-07T09:32:04","slug":"partnerschaft-auf-abstand-tiefgekuehlte-helium-molekuele","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/partnerschaft-auf-abstand-tiefgekuehlte-helium-molekuele\/","title":{"rendered":"Partnerschaft auf Abstand: tiefgek\u00fchlte Helium-Molek\u00fcle"},"content":{"rendered":"

Atomphysiker um Reinhard D\u00f6rner haben die Bindungsl\u00e4nge des exotischen Molek\u00fcls vermessen. Damit gelang ihnen ein pr\u00e4ziser Test des quantenmechanischen Tunneleffekts.<\/em><\/strong><\/p>\n

Helium-Atome sind Einzelg\u00e4nger. Nur wenn man sie stark abk\u00fchlt, bilden sie ein sehr schwach gebundenes Molek\u00fcl. Dank des quantenmechanischen Tunneleffekts k\u00f6nnen sie dabei einen extrem gro\u00dfen Abstand voneinander halten. Wie Frankfurter Atomphysiker jetzt best\u00e4tigen konnten, sind sie \u00fcber 75 Prozent der Zeit so weit voneinander entfernt, dass ihre Bindung sich nur noch durch den quantenmechanischen Tunneleffekt erkl\u00e4ren l\u00e4sst.<\/p>\n

\"atomi2\"<\/a>Die Bindungsenergie im Helium-Molek\u00fcl betr\u00e4gt nur etwa ein Milliardstel der Bindungsenergie allt\u00e4glicher Molek\u00fcle wie Sauerstoff oder Stickstoff. Das Molek\u00fcl ist au\u00dferdem so riesengro\u00df, dass kleine Viren oder Ru\u00dfpartikel zwischen den Atomen hindurch fliegen k\u00f6nnten. Physiker erkl\u00e4ren dies durch den quantenmechanischen \u201eTunnel-Effekt\u201c. Sie veranschaulichen die Bindung in einem klassischen Molek\u00fcl durch eine Potentialmulde. Weiter als bis zu den \u201eW\u00e4nden\u201c dieser Mulde k\u00f6nnen die Atome sich nicht voneinander entfernen. Doch in der Quantenmechanik d\u00fcrfen die Atome auch in die W\u00e4nde hinein tunneln.<\/p>\n

\u201eDas ist, wie wenn jeder auf seiner Seite einen Stollen ohne Ausgang gr\u00e4bt\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Reinhard D\u00f6rner vom Institut f\u00fcr Kernphysik an der Goethe-Universit\u00e4t<\/a>.<\/p><\/blockquote>\n

Die Arbeitsgruppe von D\u00f6rner hat diese Helium-Molek\u00fcle in einem Experiment hergestellt und mithilfe des an der Goethe-Universit\u00e4t entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskops untersucht. Hierbei hat sie die St\u00e4rke der Bindung mit bislang unerreichter Pr\u00e4zision ermittelt und den Abstand der beiden Atome im Molek\u00fcl vermessen. \u201eDas Helium-Molek\u00fcl stellt so etwas wie einen Pr\u00fcfstein f\u00fcr quantenmechanische Theorien dar, denn der theoretisch vorhergesagte Wert der Bindungsenergie h\u00e4ngt empfindlich davon ab, wie gut alle physikalischen und quantenmechanischen Effekte ber\u00fccksichtigt wurden\u201c, erkl\u00e4rt D\u00f6rner.<\/p>\n

Selbst die Relativit\u00e4tstheorie, die sonst haupts\u00e4chlich f\u00fcr astronomische Berechnungen ben\u00f6tigt wird, m\u00fcsse hier einbezogen werden. \u201eUnterl\u00e4uft ein kleiner Fehler, so ergeben die Rechnungen gro\u00dfe Abweichungen oder besagen gar, dass ein Helium-Molek\u00fcl \u00fcberhaupt nicht existieren kann\u201c, so D\u00f6rner. Die von seiner Gruppe durchgef\u00fchrten Pr\u00e4zisionsmessungen werden als Vergleichswert f\u00fcr zuk\u00fcnftige Experimente dienen.<\/p>\n

Zwei Jahre Messungen im Keller<\/h3>\n

Mit der Untersuchung des Helium-Molek\u00fcls begann die Arbeitsgruppe von D\u00f6rner bereits 2009, als die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ihm ein mit 1.25 Millionen Euro dotiertes Koselleck-Projekt bewilligte. \u201eEin F\u00f6rderung dieser Art entspricht quasi einem Risikokapital, mit dem die DFG Experimentreihen unterst\u00fctzt, die einen langen Atem brauchen\u201c, erkl\u00e4rt der Atomphysiker. So konnte er mit seiner Gruppe die ersten Experimente entwerfen und aufbauen. Erste Ergebnisse erzielte Dr. J\u00f6rg Voigtsberger im Rahmen seiner Doktorarbeit. \u201eAuf der Suche nach Atomen, die \u201aim Tunnel leben\u2018, verbrachte J\u00f6rg Voigtsberger zwei Jahres seines Lebens im Keller\u201c, erinnert sich Privatdozent Till Jahnke, der damalige Betreuer. Dort, im Keller, befindet sich das Laserlabor der Frankfurter Atomphysikgruppe.<\/p>\n

Stefan Zeller, der n\u00e4chste Doktorand, konnte die damalige Apparatur mit Hilfe von Dr. Maksim Kunitski nochmals entscheidend verbessern und die Messgenauigkeit weiter erh\u00f6hen. Dazu musste er unter anderem mit der gr\u00f6\u00dften \u201ePhotonenkanone\u201c, die es in Deutschland gibt, dem \u201eFreie-Elektronen-Laser FLASH\u201c am Forschungszentrum DESY in Hamburg, auf die extrem schwach gebundenen Helium-Molek\u00fcle schie\u00dfen. \u201eStefan Zeller hat Beeindruckendes geleistet. Seine unerm\u00fcdliche Arbeit, sein gro\u00dfes experimentelles Geschick und seine F\u00e4higkeit, sich von tempor\u00e4ren R\u00fcckschl\u00e4gen nicht entmutigen zu lassen, haben diesen Erfolg \u00fcberhaupt erst m\u00f6glich gemacht\u201c, kommentiert Zellers Doktorvater Prof. D\u00f6rner.<\/p>\n

\"Ein
Ein Teil des Teams, das die Messungen durchf\u00fchrte. Von rechts nach links: Till Jahnke, Stefan Zeller, Markus Sch\u00f6ffler, Christian Janke, Martin Richter, Maksim Kunitski, Alexander Hartung; Foto: Janine Gatzke<\/figcaption><\/figure>\n

Die Ergebnisse fanden bereits im Vorfeld international und national hohe Beachtung. Sie erscheinen nun in der renommierten Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) und bilden au\u00dferdem einen Teil der Forschungsarbeiten, f\u00fcr welche die Gruppe mit dem Helmholtz-Preis 2016 ausgezeichnet wurde.<\/p>\n

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\nPublikation: <\/strong>S. Zeller, M. Kunitski, J. Voigtsberger, A. Kalinin, A. Schottelius, C. Schober, M. Waitz, H. Sann, A. Hartung, T. Bauer, M. Pitzer, F. Trinter, C. Goihl, C. Janke, M. Richter, G. Kastirke, M. Weller, A. Czasch, M. Kitzler, M. Braune, R. E. Grisenti, W. Sch\u00f6llkopf, L. Ph. H. Schmidt, M. Sch\u00f6ffler, J. B. Williams, T. Jahnke, and R. D\u00f6rner: Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser, in: PNAS, DOI: 10.1073\/pnas.1610688113.
\nZur Online Publikation<\/a>
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