Forscher in den Niederlanden haben experimentell gezeigt, dass Moleküle, die normalerweise stark polar sind, ihr Dipolmoment bei Zusammenstößen mit geringer Energie faktisch 'abschalten' können. Das Ergebnis bestätigt das quantenmechanische Bild der Polarität und könnte Physikern einen neuen Regler zur Steuerung der Chemie nahe dem absoluten Nullpunkt geben.
Das Experiment der Gruppe von Bas van de Meerakker an der Radboud-Universität Nijmegen und Kollegen ist in Nature Chemistry erschienen. Es folgt auf eine theoretische Arbeit aus dem Jahr 2023, in der die Simulationen des Teams vorhersagten, dass der Stoßquerschnitt zwischen Ammoniakmolekülen (NH3) mit sinkender Energie stark abfallen sollte — im Widerspruch zum klassischen Bild, nach dem die ungleichmäßige Ladungsverteilung eines polaren Moleküls Zusammenstöße bei niedrigeren Geschwindigkeiten wahrscheinlicher machen sollte.
Die quantenmechanische Erklärung ist subtil. Ein polares Molekül, das in einem bestimmten Quantenzustand isoliert ist, hat eine definite Parität; sein im Laborsystem gemessenes Nettodipolmoment ist damit exakt null. Bei hohen Stoßenergien mischen die elektrostatischen Felder zweier sich nähernder Moleküle Zustände entgegengesetzter Parität und 'schalten' gegenseitig ihre Dipole ein, wodurch die Stoßrate steigt. Bei niedrigen Energien kommen sich die Moleküle nie nahe genug, um diese Mischung auszulösen, sodass die Dipole aus bleiben und die Wechselwirkung wegfällt.
Der Nachweis erforderte die Überwindung einer schwierigen experimentellen Hürde. Zwei Strahlen kalter Moleküle werden üblicherweise mit elektrischen Feldern zusammengeführt — haben die Moleküle in beiden Strahlen jedoch nahezu identische Dipolmomente, lenkt das Feld, das einen Strahl steuert, auch den anderen ab, sodass sich die Strahlen womöglich nie überlappen. Das Team kombinierte einen 2,6 Meter langen Stark-Abbremser, einen gekrümmten Hexapol-Leiter und eine zusammengeführte Quadrupol-/Hexapolfalle, um die Strahlen an genau der richtigen Stelle und mit minimalem Winkel zueinander zu überlagern.
Anschließend bestätigten sie die vorhergesagte Energieabhängigkeit für NH3–NH3-Stöße und zeigten, dass sie sich ändert, wenn Wasserstoff durch Deuterium ersetzt wird (NH3–ND3- und ND3–ND3-Stöße). Tim Langen, Physiker an der TU Wien, der nicht beteiligt war, nannte den experimentellen Ansatz beeindruckend und das Ergebnis überzeugend; er erwarte breites Interesse bei Forschern an kalten und ultrakalten Molekülen.
Die praktischen Folgen sind zwiespältig. Geringere inelastische Querschnitte erschweren Experimente mit zusammengeführten Strahlen, weil Streuung schwerer zu beobachten ist; zugleich gehen aber weniger Moleküle aus Fallen verloren. Der nächste Schritt des Teams ist ein kontrolliertes elektrisches Feld im Stoßbereich. Der Mechanismus dürfte äußerst empfindlich reagieren — schon kleine Felder könnten die Querschnitte um Größenordnungen verändern.
