{"id":85225,"date":"2025-08-08T09:00:00","date_gmt":"2025-08-08T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=85225"},"modified":"2025-08-07T10:29:07","modified_gmt":"2025-08-07T08:29:07","slug":"molekuele-im-rampenlicht-schnappschuesse-enthuellen-den-ewigen-tanz-der-teilchen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/molekuele-im-rampenlicht-schnappschuesse-enthuellen-den-ewigen-tanz-der-teilchen\/","title":{"rendered":"Molek\u00fcle im Rampenlicht: Schnappsch\u00fcsse enth\u00fcllen den ewigen Tanz der Teilchen"},"content":{"rendered":"<p><em>Frankfurter Physiker*innen beobachten die gekoppelte quantenmechanische Nullpunktbewegung der Atome eines Molek\u00fcls<\/em><\/p>\n\n\n\n<p><strong>Forscher*innen der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt gelang erstmals die direkte Visualisierung der sogenannten quantenmechanischen Nullpunktbewegung in einem gr\u00f6\u00dferen Molek\u00fcl. Diese Bewegung vollf\u00fchren Teilchen selbst am absoluten Temperaturnullpunkt. In einem gemeinsamen Experiment mit dem Max-Planck-Institut f\u00fcr Kernphysik in Heidelberg, der Universit\u00e4t Hamburg, dem European XFEL und weiteren Partnern konnten sie den \u201eewigen Tanz\u201c der Atome sichtbar machen. Gelungen ist dies Dank des in Frankfurt entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskops, das die Struktur der Molek\u00fcle rekonstruieren kann. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift \u201eScience\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/strong><\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image aligncenter size-full\"><img fetchpriority=\"high\" decoding=\"async\" width=\"650\" height=\"450\" src=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2025\/08\/molekuelstruktur-c-till-jahnke.jpg\" alt=\"Molek\u00fcle werden durch ultrakurze, hochintensive R\u00f6ntgenlaserpulse zur kontrollierten Explosion gebracht - so gelingen hochaufl\u00f6sende Bilder von Molek\u00fclstrukturen (\u00a9 Till Jahnke)\" class=\"wp-image-85224\" srcset=\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2025\/08\/molekuelstruktur-c-till-jahnke.jpg 650w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2025\/08\/molekuelstruktur-c-till-jahnke-300x208.jpg 300w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2025\/08\/molekuelstruktur-c-till-jahnke-500x346.jpg 500w, https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2025\/08\/molekuelstruktur-c-till-jahnke-18x12.jpg 18w\" sizes=\"(max-width: 650px) 100vw, 650px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Molek\u00fcle werden durch ultrakurze, hochintensive R\u00f6ntgenlaserpulse zur kontrollierten Explosion gebracht &#8211; so gelingen hochaufl\u00f6sende Bilder von Molek\u00fclstrukturen (\u00a9 Till Jahnke)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<p>Die Quantenwelt ist f\u00fcr die allermeisten von uns nur schwer vorstellbar: Laut der Heisenbergschen Unsch\u00e4rferelation ist es, als w\u00fcrde man bei einem Tanz nie gleichzeitig genau sehen k\u00f6nnen, wo jemand gerade tanzt und wie schnell er sich bewegt \u2013 man muss sich immer f\u00fcr eines entscheiden. Trotzdem ist dieser quantenmechanische Tanz nicht chaotisch, die T\u00e4nzer*innen folgen einer strikten Choreografie. \u00dcbertragen auf Molek\u00fcle hat dieses seltsame Verhalten noch eine weitere Konsequenz: Selbst, wenn ein Molek\u00fcl am absoluten Temperaturnullpunkt eigentlich komplett eingefroren sein sollte, kommt es nie v\u00f6llig zur Ruhe. Angetrieben von der sogenannten Nullpunktenergie f\u00fchren die Atome, aus denen das Molek\u00fcl besteht, einen st\u00e4ndigen, leisen Tanz auf, den niemand anhalten kann.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Korreliertes Verhalten der Nullpunktbewegung erstmals direkt gemessen<\/h2>\n\n\n\n<p>Diese nach festen Mustern ablaufenden Bewegungen um den Nullpunkt direkt zu messen, galt lange als unm\u00f6glich; doch nun ist genau das Wissenschaftler*innen der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt und weiteren Partnern am weltgr\u00f6\u00dften R\u00f6ntgenlaser European XFEL in Hamburg gelungen. Sie konnten den \u201eTanz der Molek\u00fcle\u201c einfangen, indem sie das \u201eRampenlicht\u201c auf jeweils ein einzelnes Molek\u00fcl richteten und Schnappsch\u00fcsse seiner Atome machten. Nur so konnten sie die perfekte Choreografie der einzelnen Atome des Molek\u00fcls sichtbar machen.<\/p>\n\n\n\n<p>Prof. Till Jahnke vom Institut f\u00fcr Kernphysik der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt und dem Max-Planck-Institut f\u00fcr Kernphysik in Heidelberg erl\u00e4utert: \u201eDas Tolle an unserer Arbeit ist, dass wir sehen konnten, dass nicht jedes Atom f\u00fcr sich schwingt, sondern dass die Atome in den Molek\u00fclen gekoppelt schwingen, nach festen Mustern. Dieses Verhalten konnten wir erstmals in einzelnen mittelgro\u00dfen Molek\u00fclen direkt messen, die sich zudem noch in ihrem energetisch tiefsten Zustand befinden. Diese Nullpunktbewegung ist ein rein quantenmechanisches Ph\u00e4nomen, das klassisch nicht erkl\u00e4rbar ist.\u201c Statt von Choreografien sprechen Physiker*innen hier von Vibrationsmoden. Sind die Bewegungsmuster von Molek\u00fclen mit zwei bis drei Atomen relativ leicht nachvollziehbar, so wird es bei mittelgro\u00dfen Molek\u00fclen \u2013 wie dem hier untersuchten Iodpyridin mit elf Atomen \u2013 schnell un\u00fcbersichtlich. Ganze 27 unterschiedliche Vibrationsmoden hat Iodpyridin im Repertoire \u2013 von Ballett \u00fcber Tango bis hin zum Volkstanz ist also alles dabei.<\/p>\n\n\n\n<p>Dieses Experiment hat eine l\u00e4ngere Geschichte. \u201eWir haben die Daten bereits 2019 im Rahmen einer von Rebecca Boll am European XFEL gef\u00fchrten Messung aufgenommen, die eigentlich auf eine ganz andere Thematik abzielte. Erst zwei Jahre sp\u00e4ter verstanden wir dann, dass wir tats\u00e4chlich Anzeichen f\u00fcr die Nullpunktbewegung sehen. Der Durchbruch kam letztendlich durch die Zusammenarbeit mit unseren Kolleg*innen aus der theoretischen Physik vom <em>Center for Free-Electron Laser Science<\/em> in Hamburg. Insbesondere Beno\u00eet Richard und Ludger Inhester haben mit ihren neuartigen Analysemethoden die Interpretation der Messdaten noch einmal auf ein ganz anderes Level gehoben. Es mussten hier r\u00fcckblickend schon viele Puzzleteile zusammenkommen und ineinanderpassen\u201c, erkl\u00e4rt Jahnke.<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Explosion enth\u00fcllt Molek\u00fclstruktur<\/h2>\n\n\n\n<p>Doch wie gelingt eine Aufnahme der tanzenden Teilchen? Bei der als \u201eCoulomb Explosion Imaging\u201c bezeichneten Methode werden Molek\u00fcle durch ultrakurze, hochintensive R\u00f6ntgenlaserpulse zur kontrollierten Explosion gebracht, um hochaufl\u00f6sende Bilder ihrer Struktur zu gewinnen. Der R\u00f6ntgenpuls schl\u00e4gt dabei zahlreiche Elektronen aus dem Molek\u00fcl heraus, wodurch elektrisch positiv geladene Atome entstehen, die sich durch elektrostatische Absto\u00dfung innerhalb von Bruchteilen einer Billionstel-Sekunde gegenseitig wegschleudern. Die auseinanderfliegenden Atomtr\u00fcmmer werden von einer speziellen Apparatur aufgezeichnet, die Einschlagort und -zeitpunkt der Bruchst\u00fccke misst, um daraus die urspr\u00fcngliche Molek\u00fclstruktur zu rekonstruieren. Dieses sogenannte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wurde in den letzten Jahrzehnten in der Arbeitsgruppe f\u00fcr Atomphysik an der Goethe-Universit\u00e4t entwickelt. Eine speziell f\u00fcr die Anforderungen des European XFEL angepasste Version konstruierte Dr. Gregor Kastirke im Rahmen seiner Doktorarbeit. Das Ger\u00e4t jetzt in Aktion zu sehen, sei etwas ganz Besonderes, so Kastirke: \u201eSolche bahnbrechenden Ergebnisse zu sehen, macht mich schon ein wenig stolz. Sie entstehen nur durch jahrelange Vorbereitung und enge Teamarbeit.\u201c<\/p>\n\n\n\n<div style=\"height:20px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Neue Einblicke in die Quantenwelt<\/h2>\n\n\n\n<p>Die Ergebnisse er\u00f6ffnen v\u00f6llig neue Einblicke in quantenmechanische Ph\u00e4nomene. Erstmals k\u00f6nnen Forscher*innen die komplexen Muster der Nullpunktbewegung in komplexeren Molek\u00fclen direkt beobachten. Diese Erkenntnisse zeigen auf, welche M\u00f6glichkeiten sich mit dem in Frankfurt entwickelten COLTRIMS Reaktionsmikroskop \u00fcberhaupt erst er\u00f6ffnen. \u201eWir entwickeln unsere Methode immer weiter und planen bereits die n\u00e4chsten Experimente\u201c, erkl\u00e4rt Jahnke. \u201eUnser Ziel ist es, neben dem Tanz der Atome auch den der Elektronen anzuschauen \u2013 also eine Choreografie, die um einiges schneller abl\u00e4uft und zudem von der Bewegung der Atome beeinflusst wird. Mit unserer Apparatur k\u00f6nnen wir nach und nach regelrechte Kurzfilme von Molek\u00fclprozessen erstellen \u2013 das war fr\u00fcher undenkbar.\u201c<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Frankfurter Physiker*innen beobachten die gekoppelte quantenmechanische Nullpunktbewegung der Atome eines Molek\u00fcls Forscher*innen der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt gelang erstmals die direkte Visualisierung der sogenannten quantenmechanischen Nullpunktbewegung in einem gr\u00f6\u00dferen Molek\u00fcl. 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