Eine Forschergruppe hat eine Simulations-Methode von Molekülen mit ultrakalten Atomen entwickelt. Die elektronische Struktur und Dynamik molekularer Systeme lässt sich abgesehen von ganz einfachen Molekülen nur sehr schwer berechnen. Die Arbeitsgruppe von CUI-Forscher Prof. Klaus Sengstock (Universität Hamburg) hat eine Methode vorgeschlagen, um diese Hürde zu überwinden: Sie zeigt, dass wohlkontrollierbare Atome bei ultrakalten Temperaturen genutzt werden können, um die Molekülorbitale und die Dynamik der Elektronen zu simulieren. Im Fachmagazin Physical Review X berichten die Forscher über ihre Methode.
Schematische Darstellung des Quantensimulators, die ein künstliches Molekülorbital (Mitte) und das optische Potential (unten) zeigt. Illustration: Dirk-Sören Lühmann (UHH)
Obwohl die molekulare Struktur – die Position der Atome im Molekül – oft gut bekannt ist, wurden die Molekülorbitale der Elektronen nur in wenigen speziellen Fällen beobachtet. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schlagen nun eine Simulations-Methode vor: In diesem System imitieren die ultrakalten Atome die Elektronen im Molekül, während ein Lichtfeld die Rolle der Atomkerne spielt. Wie am Beispiel von Benzol gezeigt wird, erlaubt es diese Quantensimulation, die Molekülorbitale mit hoher Auflösung abzubilden.
Ein schon lange bestehender Traum der Wissenschaft ist es zudem, die elektronische Dynamik in Molekülen, die auf der Femtosekunden-Skala stattfindet, direkt abzubilden. Wie die Arbeitsgruppe beschreibt, erlauben ihre „künstlichen Moleküle“ tiefen Einblick in diese dynamische Entwicklung. Die Ergebnisse bahnen den Weg zum Verständnis von fundamentalen offenen Fragen der Molekülphysik und zur Untersuchung verschiedener Paradigmen der Quantenchemie.
Illustration der Orbitale in einem künstlichen Benzol-Molekül. Illustration: Dirk-Sören Lühmann, Christof Weitenberg (UHH)
Originalveröffentlichung:
Lühmann D.-S., Weitenberg Ch., and Sengstock K.
“Emulating Molecular Orbitals and Electronic Dynamics with Ultracold Atoms”
Phys. Rev. X 5, 031016 (2015)
DOI: 10.1103/PhysRevX.5.031016
News coverage: Science 349, 1298 (2015)