Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Prof. Daniel Strasser und Prof. Roi Baer von der Hebräischen Universität Jerusalem hat eine wichtige Entdeckung in der Molekularphysik gemacht und unerwartete Symmetriebrechungsdynamiken in ionisierten Kohlendioxid-Dimeren aufgedeckt. Die Studie liefert neue Einblicke in die Strukturänderungen, die auftreten, wenn diese Molekülcluster extremer Ultraviolettstrahlung (EUV) ausgesetzt werden.
Das Forschungspapier mit dem Titel „Symmetriebrechungsdynamik eines photoionisierten Kohlendioxid-Dimers“ ist jetzt verfügbar in Naturkommunikation.
Die Zusammenarbeit hat gezeigt, dass ionisierte CO2-Dimere asymmetrische Strukturumlagerungen durchlaufen, die zur Bildung von CO3-Einheiten führen. Die Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphären- und Astrochemie und bietet ein tieferes Verständnis des molekularen Verhaltens unter extremen Bedingungen.
In Umgebungen wie dem kalten Weltraum und atmosphärischen Umgebungen bilden Kohlendioxidmoleküle oft symmetrisch geformte Paare. Der Quantenmechanik zufolge sollte die Wellenfunktion dieser Paare auch nach der Ionisierung ihre Symmetrie bewahren. Forscher der Hebräischen Universität Jerusalem (Israel), des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (Deutschland) und der Freie-Elektronen-Laseranlage FLASH bei DESY (Deutschland) haben jedoch ein Phänomen namens Symmetriebrechung beobachtet.
Um das Verhalten der ionisierten Dimere vorherzusagen, wurden zwei gängige quantenchemische Modelle verwendet. Das erste Modell ging davon aus, dass sich die Moleküle im Gleichtakt bewegen und dabei ihre symmetrische Form beibehalten würden. Im Gegensatz dazu sagte das zweite Modell voraus, dass die Ionisierung die Symmetrie zerstören würde, wodurch eines der Moleküle sich langsam um seine Achse drehen und innerhalb von etwa 150 Femtosekunden auf sein Partnermolekül zeigen würde.
Durch den Einsatz ultraschneller EUV-Impulse, die vom Freie-Elektronen-Laser FLASH erzeugt werden, bestätigten die Forscher das zweite Modell und zeigten, dass die ionisierten Dimere tatsächlich eine asymmetrische Strukturumordnung durchlaufen.
Dieser Symmetriebrechung führt zur Bildung von CO3-Einheiten, die bei der chemischen Evolution komplexerer Arten in kalten Weltraumumgebungen eine entscheidende Rolle spielen könnten.
Quantenmechanik und das Phänomen der Symmetriebrechung
Eine Schlüsselfrage, die sich aus dieser Studie ergibt, ist, wie es zu einer Symmetriebrechung kommt, obwohl die Quantenmechanik dies verbietet. Die Forscher erklären, dass das Paar Kohlendioxidmoleküle, ähnlich wie Schrödingers berühmte Katze, in einer Überlagerung zweier symmetriebrecherchierender Zustände existiert. Das System bewahrt die Symmetrie, bis die Quantenwellenfunktion bei der Messung zusammenbricht, was dazu führt, dass eines der CO2-Moleküle relativ zum anderen rotiert.
Prof. Strasser, der Hauptautor der Studie, betonte die Bedeutung der Ergebnisse und sagte: „Unsere Forschung zeigt, wie leistungsfähig die Kombination modernster experimenteller Techniken mit fortgeschrittener theoretischer Modellierung ist, um unerwartetes molekulares Verhalten aufzudecken. Diese Einblicke in die Dynamik ionisierter Kohlendioxid-Dimere könnten neue Wege in der Kohlendioxidchemie eröffnen und zu unserem Verständnis planetarer und atmosphärischer Prozesse beitragen.“
Prof. Baer, der die theoretische Modellierung leitete, kommentierte: „Durch den direkten Vergleich der Theorie mit experimentellen Messungen verbessern wir unsere Fähigkeit, das Ergebnis chemischer Reaktionen zu simulieren und vorherzusagen, die in entfernten Umgebungen stattfinden und im Labor nicht experimentell getestet werden können.“
Die Ergebnisse der Studie haben erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphärenchemie und Astrochemie und liefern neue Erkenntnisse über den atmosphärischen Kohlendioxidkreislauf. Die Entdeckung asymmetrischer Strukturumlagerungen, der Bildung eines CO3-Anteils und zeitaufgelöster Dynamiken ermöglicht ein tieferes Verständnis molekularer Prozesse unter extremen Bedingungen.
Diese Forschung wurde durch internationale Zusammenarbeit und die Nutzung hochmoderner Einrichtungen, darunter des Freie-Elektronen-Lasers FLASH2 bei DESY in Hamburg, möglich. Der innovative Ansatz des Teams ebnet den Weg für weitere Untersuchungen des Verhaltens von Molekülclustern unter extremen Bedingungen, mit potenziellen Anwendungen von der Atmosphärenforschung bis hin zu neuartigen chemischen Synthesemethoden.
Mehr Informationen:
Ester Livshits et al, Symmetriebrechungsdynamik eines photoionisierten Kohlendioxid-Dimers, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50759-2