Wissenschaftler enthüllen den geheimen Tanz der Moleküle im Quantenreich!

Wissenschaftler enthüllen den geheimen Tanz der Moleküle im Quantenreich!

Am 8. August 2025 berichten Forscher*innen der Goethe-Universität Frankfurt über einen bedeutenden Fortschritt in der Visualisierung quantenmechanischer Bewegungen. Im Rahmen eines gemeinsamen Projekts mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik und dem European XFEL in Schenefeld bei Hamburg haben sie erstmals die quantenmechanische Nullpunktbewegung in größeren Molekülen sichtbar gemacht. Diese Bewegung tritt sogar am absoluten Temperaturnullpunkt auf, was bedeutet, dass Moleküle nicht zur Ruhe kommen, selbst wenn sie im energetisch niedrigsten Zustand sind.

Das Team hat ein komplexes Molekül, 2-Iodopyridin (C5H4IN), welches aus elf Atomen besteht, untersucht. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift „Science“ veröffentlicht. Prof. Till Jahnke erklärt, dass Atome in Molekülen gekoppelt schwingen und ihre Bewegungen nicht unabhängig sind. Bei der Analyse wurden 27 unterschiedliche Vibrationsmoden des Iodopyridins erfasst.

Methode der Coulomb-Explosion

Um diese quantenmechanischen Phänomene zu untersuchen, verwendete das Team die Coulomb-Explosionsabbildung (Coulomb Explosion Imaging, CEI). Diese Methode ermöglicht es, durch Röntgenlaserpulse Atomen Elektronen zu entziehen, was zu einer positiv geladenen Ionenkonfiguration führt. Die Atomkerne fliegen explosionsartig auseinander, was als mikroskopischer Urknall beschrieben wird. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass geladene Atome außerhalb der klassisch erwarteten Molekülebene zu finden sind, was neue Einblicke in die Quantenfluktuationen eröffnete.

Das dafür eingesetzte COLTRIMS-Reaktionsmikroskop, das in Frankfurt entwickelt wurde, misst Zeitpunkte und Einschlagorte der Atomtrümmer. Dies ermöglicht eine exakte Rekonstruktion der Molekülstruktur. Die gesammelten Daten wurden ursprünglich 2019 in einem anderen Experiment am European XFEL aufgezeichnet und durch die Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern wurde die Interpretation dieser Messdaten erheblich verbessert.

Ausblick auf zukünftige Forschungen

Die Ergebnisse dieser Studien eröffnen neue Perspektiven für die Erforschung komplexer quantenmechanischer Systeme, wie die Bewegungen der Elektronen in Molekülen. Ein zukünftiges Projekt, das im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert wird, zielt darauf ab, größere Moleküle zu untersuchen und zeitaufgelöste Filme ihrer Bewegungen zu erstellen. Die Zeitauflösung könnte dabei unter eine Femtosekunde fallen, was bedeutende Fortschritte in der Molekülphysik und Chemie erwarten lässt.

Die wissenschaftlichen Errungenschaften des Teams verdeutlichen, wie wichtig interdisziplinäre Zusammenarbeit in der modernen Forschung ist. Fortschritte wie diese sind entscheidend, um das Verständnis über die fundamentalen physikalischen Prozesse in Molekülen zu vertiefen und die Grenzen der quantenmechanischen Forschung weiter zu verschieben. Diese Erkenntnisse, die puk.uni-frankfurt.de, cui-advanced.uni-hamburg.de sowie nature.com umfassend dokumentieren, stellen einen Meilenstein in der experimentellen Physik dar.