Von wegen platt: In Chemiebüchern werden viele Moleküle als flache Gebilde dargestellt. Doch eine neue Entdeckung von Forschenden der Goethe-Universität Frankfurt am Main – einem der tragenden Standorte der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) – räumt mit diesem Dogma auf. Dank hochpräziser Messungen wird klar: In der Welt der Quanten gibt es keine wirkliche Zweidimensionalität. Alles zittert, alles schwingt – und plötzlich wird die Chemie dreidimensional.
Wer sich an den Chemieunterricht in der Schule erinnert, hat oft das Bild von kleinen Stäbchenmodellen im Kopf. Da gibt es Moleküle, die wie kleine Kreuze oder Dreiecke aussehen, und solche, die als vollkommen „plan“ gelten. Die Ameisensäure (HCOOH) ist so ein Paradebeispiel. In jeder Lehrbuch-Grafik liegen ihre fünf Atome brav in einer gemeinsamen Ebene. Doch die Natur hält sich selten an die statischen Zeichnungen unserer Bücher.
Das Team um HFHF-Wissenschaftler Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität hat nun experimentell nachgewiesen, was Theoretiker schon länger vermuteten: Das „Quanten-Zittern“ macht der vermeintlichen Flachheit einen Strich durch die Rechnung.
Der Grund für dieses Phänomen liegt in den Fundamenten der Quantenmechanik. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation können wir niemals gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Teilchens exakt bestimmen. Das hat eine fundamentale Konsequenz: Atome können niemals völlig stillstehen. Selbst am absoluten Nullpunkt der Temperatur besitzen sie eine sogenannte Nullpunktsenergie.
Diese Energie äußert sich in einer permanenten Schwingung. Im Fall der Ameisensäure bedeutet das: Die Atome vibrieren ständig um ihre Ruheposition. Und wie die Frankfurter Physiker nun mit beeindruckender Präzision zeigen konnten, führt dieses Zittern dazu, dass vor allem die leichten Wasserstoffatome fast ständig aus der theoretischen Molekülebene herausragen.
„Geometrie ist keine statische Eigenschaft, sondern ein dynamisches Ereignis.“, erklärt Reinhard Dörner. Die Flachheit, die wir in Lehrbüchern sehen, ist lediglich ein statistischer Durchschnittswert über die Zeit – so als würde man ein Foto mit einer sehr langen Belichtungszeit machen, auf dem das Zittern zu einer Fläche verschwimmt.
Warum ist das mehr als nur eine physikalische Spitzfindigkeit? Die Antwort liegt in einem der spannendsten Konzepte der Naturwissenschaften: der Chiralität oder „Händigkeit“.
Normalerweise ist die Ameisensäure achiral – sie hat kein Spiegelbild, das nicht mit dem Original deckungsgleich wäre (wie bei unseren Händen). Doch in dem Moment, in dem ein Wasserstoffatom durch das Quantenzittern nach „oben“ oder „unten“ aus der Ebene heraustritt, verliert das Molekül seine Spiegelsymmetrie. Für einen winzigen Sekundenbruchteil wird es chiral. Es existiert dann für einen Moment als „linkshändige“ oder „rechtshändige“ Version seiner selbst.
Diese Erkenntnis wirft ein neues Licht darauf, wie chemische Reaktionen ablaufen und wie Symmetriebrüche in der Natur entstehen. Wenn selbst die einfachsten Moleküle ständig zwischen verschiedenen räumlichen Zuständen hin- und herpendeln, müssen wir unsere Modelle von molekularen Interaktionen dynamischer denken.
Solche Entdeckungen fallen nicht vom Himmel. Sie sind das Ergebnis von jahrzehntelanger Expertise in der Detektorentwicklung und der Nutzung von Großforschungsanlagen. Für das Experiment nutzten die Forschenden die COLTRIMS-Technologie, die in Frankfurt maßgeblich entwickelt wurde und auch ein Herzstück der Forschung innerhalb der HFHF und an den Experimentieranlagen von GSI und FAIR ist.
Mit dem sogenannten „Coulomb Explosion Imaging“ gelang es dem Team, die Moleküle regelrecht zu sprengen. Durch den Beschuss mit energiereicher Strahlung (in diesem Fall an der Röntgenquelle PETRA III am DESY in Hamburg) werden dem Molekül schlagartig mehrere Elektronen entrissen. Die positiv geladenen Atomkerne stoßen sich daraufhin extrem stark ab und fliegen auseinander.
Das Entscheidende: Die Flugbahnen dieser Fragmente verraten exakt, wo sich die Atome zum Zeitpunkt der Explosion befunden haben. Es ist wie ein ultraschneller Schnappschuss, der das Molekül in flagranti bei seinem Quantenzittern ertappt.
Während FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt künftig neue Maßstäbe bei der Untersuchung von Kernmaterie und extremen Zuständen setzen wird, zeigen Ergebnisse wie die aus der Frankfurter Atomphysik, wie eng verknüpft die verschiedenen Skalen der Physik sind. Die Dynamik, die wir in einem einfachen organischen Molekül wie der Ameisensäure beobachten, basiert auf denselben Quantengesetzen, die wir auch bei hochgeladenen Ionen im Speicherring oder bei der Entstehung von Elementen in Sternenexplosionen untersuchen.
Originalpublikation: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bvqj-pm3n