Chemische Reaktion mit nur zwei Atomen

Bild: Lee Liu und Yu Liu / Harvard University

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Harvard haben genau zwei Atome miteinander reagieren lassen. Mit zwei Pinzetten aus Laserstrahlen führten sie ein Natrium- und ein Cäsium-Atom zusammen und verschmolzen sie zu einem Molekül. Daraus könnten in Zukunft Quantencomputer entstehen.

Atome in der Pinzette

Die Mitglieder der Forschungsgruppe um Prof. Kang-Kuen Ni hielten in dem Experiment ein einzelnes Natrium-Atom und ein Cäsium-Atom fest. Dazu benutzten sie sogenannte optische Pinzetten, die mit Laserstrahlen einzelne Atome festhalten und transportieren können. Zusätzlich kühlte das Team die einzelnen Atome auf Temperaturen unter 1 Millikelvin, also knapp über den absoluten Nullpunkt. Um sicherzugehen, dass auch wirklich jeweils ein Natrium- und ein Cäsium-Teilchen in den beiden Pinzetten waren, brachte das Team die Teilchen zum fluoreszieren. Denn oft war nur eines der beiden Atome, oder auch gar keins in der optischen Pinzette. Immerhin in 33 Prozent der Fälle glückte es dem Team jedoch, tatsächlich die beiden Atome zu greifen.

Angewandte Quantenmechanik: Sind die beiden Atome nah beieinander, verbinden sie sich durch Energie (Photoassoziation, PA) zu einem angeregten Molekül. Nach kurzer Zeit fällt das Molekül dann in seinen Grundzustand, angedeutet durch den roten Wellenpfeil.[1]R. L. Liu et al. Building one molecule from a reservoir of two atoms. Science 2018. DOI: 10.1126/science.aar7797

Mithilfe der beiden optischen Pinzetten wurden das Natrium- und das Cäsium-Atom zusammengeführt. Danach schaltete die Forschungsgruppe eine der beiden Laservorrichtungen aus, sodass nun die beiden Atome in einer Pinzette festsaßen. Um die beiden Atome zu einem Molekül zu verbinden, schoss das Team ein genau abgestimmtes Photon auf das Atompaar.

In der Folge verbanden sich die beiden Alkalimetall-Atome zu einem Molekül. Wie das Team im Fachjournal Science berichtet, war das Molekül zunächst in einem angeregten Zustand, der nach etwa 30 Nanosekunden wieder abgeklungen war.[2]R. L. Liu et al. Building one molecule from a reservoir of two atoms. Science 2018. DOI: 10.1126/science.aar7797

Die Gruppe wählte für dieses Experiment ausgerechnet NaCs, weil das Molekül ein starker Dipol ist. Damit könnte diese Verbindung in Zukunft als Qubit in Quantencomputern eingesetzt werden.

Reaktion auf homöopathischer Ebene

Weil Atome so klein sind, setzt man normalerweise sehr viele von ihnen in Reaktionen ein. Ein Milligramm Natrium enthält beispielsweise mehr als 26 Trillionen Atome.[3]Die genaue Zahl der Atome ist 26.194.872.959.056.100.000, berechnet für ein Atomgewicht von 22,989769282 u und der Avogadrokonstante 6,022140857⋅1023 mol–1. Bei diesen gewaltigen Zahlen ist es ungeheuer schwierig, einzelne Teilchen gezielt zu beobachten, geschweige denn, die zu kontrollieren.

Möchte man kleinere Mengen an Atomen oder Molekülen benutzen, kann man den Stoff mit einem Lösemittel verdünnen. Je stärker die Verdünnung sich aber der Avogadrozahl nähert, also rund 600 Trilliardstel, desto größter ist wiederum das Risiko, dass die Ursprungssubstanz gar nicht mehr in der Lösung ist. Gleichzeitig steigt das Risiko, dass man gar nicht den jeweiligen Stoff beobachtet, sondern nur das Lösemittel und die darin enthaltenen Verunreinigungen.

Das Team aus Harvard führte das Experiment deshalb in einer Vakuum-Kammer aus Quarzglas durch. Aber selbst unter diesen präzise kontrollierten Bedingungen beobachtete die Gruppe immer noch Wechselwirkungen ihres Moleküls mit vereinzelten Gasteilchen aus der Umgebung. Laut der Forschungsgruppe spricht aber nichts dagegen, mit dieser Methode auch andere Moleküle herzustellen und der Quantenmechanik bei der Arbeit über die Schulter zu schauen.

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Quellen   [ + ]

1, 2. R. L. Liu et al. Building one molecule from a reservoir of two atoms. Science 2018. DOI: 10.1126/science.aar7797
3. Die genaue Zahl der Atome ist 26.194.872.959.056.100.000, berechnet für ein Atomgewicht von 22,989769282 u und der Avogadrokonstante 6,022140857⋅1023 mol–1.

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