Unerwartetes Verhalten von Kohlendioxid-Dimeren nach Ionisation

Ein internationales Team von Forschenden der Hebräischen Universität Jerusalem (HUJI) in Israel, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK, Heidelberg) und des DESY (Freie-Elektronen-Laser, FLASH) in Hamburg hat eine wichtige Entdeckung in der Molekülphysik gemacht und unerwartete symmetriebrechende Dynamiken in ionisierten Kohlendioxid-Dimeren nachgewiesen. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie gibt neue Einblicke in die strukturellen Veränderungen, die auftreten, wenn diese Molekülcluster extrem ultravioletter Strahlung (EUV) ausgesetzt werden. Das Gemeinschaftsprojekt hat gezeigt, dass ionisierte CO₂-Dimere asymmetrische strukturelle Umordnungen durchlaufen, die zur Bildung von CO₃-Gruppen führen. Diese Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphären- und Astrochemie und ermöglicht ein tieferes Verständnis des molekularen Verhaltens unter extremen Bedingungen.

Wichtigste Ergebnisse: Symmetriebrechende Dynamik und strukturelle Umordnung

In Umgebungen wie im kalten Weltraum wie auch unter atmosphärischen Bedingungen bilden Kohlendioxidmoleküle oft symmetrische Paare. Nach der Quantenmechanik sollte die Wellenfunktion dieser Paare auch nach der Ionisation die Symmetrie beibehalten. In einer neuen experimentellen Studie an der Freie-Elektronen-Laseranlage FLASH beobachteten die Forschenden von HUJI und MPIK jedoch ein Phänomen, das als Symmetriebrechung bezeichnet wird.

Zwei etablierte quantenchemische Modelle wurden verwendet, um das Verhalten der ionisierten Dimere vorherzusagen. Das erste Modell ging davon aus, dass sich die Moleküle im Einklang bewegen und ihre symmetrische Form beibehalten würden. Im Gegensatz dazu sagte das zweite Modell voraus, dass die Ionisation die Symmetrie brechen würde, so dass sich eines der Moleküle innerhalb von etwa 150 Femtosekunden langsam um seine Achse dreht und auf seinen Partner zeigt. Durch den Einsatz von ultraschnellen EUV-Pulsen, die mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH erzeugt wurden, bestätigten die Forschenden das zweite Modell und zeigten, dass die ionisierten Dimere tatsächlich eine asymmetrische strukturelle Umordnung erfahren.

Diese Symmetriebrechung führt zur Bildung von CO₃-Einheiten, die eine entscheidende Rolle in der chemischen Entwicklung komplexerer Spezies in kalten Weltraumumgebungen spielen könnten.

Quantenmechanik und das Phänomen der Symmetriebrechung

Aus der Studie ergibt sich die Schlüsselfrage, wie die Symmetriebrechung zustande kommt, obwohl die Quantenmechanik sie verbietet. Die Forschenden erklären, dass sich das Kohlendioxid-Molekülpaar – ähnlich wie Schrödingers berühmte Katze – in einer Überlagerung von zwei symmetriebrechenden Zuständen befindet. Das System behält die Symmetrie bei, bis die Quantenwellenfunktion bei der Messung zusammenbricht, was dazu führt, dass eines derCO₂-Moleküle relativ zum anderen rotiert.

Weiterführende Bedeutung und zukünftige Forschung

Daniel Strasser (HUJI), Hauptautor der Studie, unterstreicht die Bedeutung der Ergebnisse: „Unsere Forschungsarbeit zeigt, dass die Kombination modernster experimenteller Techniken mit fortgeschrittener theoretischer Modellierung unerwartete molekulare Verhaltensweisen aufdecken kann. Diese Einblicke in die Dynamik ionisierter Kohlendioxid-Dimere könnten neue Wege für die Kohlendioxidchemie eröffnen und zu unserem Verständnis planetarer und atmosphärischer Prozesse beitragen.“

Roi Baer (HUJI), Leiter der theoretischen Modellierung, kommentiert: „Indem wir die Theorie direkt mit experimentellen Messungen vergleichen, verbessern wir unsere Möglichkeiten, das Ergebnis chemischer Reaktionen zu simulieren und vorherzusagen, die in entlegenen Umgebungen ablaufen und in einem Labor nicht experimentell getestet werden können.“

Die Ergebnisse der Studie haben erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphärenchemie und die Astrochemie und liefern neue Erkenntnisse über den atmosphärischen Kohlendioxidkreislauf. Die Entdeckung asymmetrischer struktureller Umlagerungen, die Bildung eines CO₃-Gruppe und die zeitaufgelöste Dynamik ermöglichen ein tieferes Verständnis der molekularen Prozesse unter extremen Bedingungen.

Ermöglicht wurde diese Forschung durch internationale Zusammenarbeit und den Einsatz moderner Anlagen, darunter das vom MPIK Heidelberg entwickelte und gebaute Reaktionsmikroskop, das am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg eingesetzt wird. „Der innovative Ansatz des Teams ebnet den Weg für weitere Untersuchungen zum Verhalten von Molekülclustern unter extremen Bedingungen“, sagt Gruppenleiter Robert Moshammer aus der Abteilung von Thomas Pfeifer am MPIK: „Dies zeigt das zukünftige Potenzial für Anwendungen von der Atmosphärenforschung bis zur laserkontrollierten Chemie.“

(HUJI/MPIK)

Originalpublikation:

Symmetry-breaking dynamics of a photoionized carbon dioxide dimer
Ester Livshits, Dror M. Bittner, Florian Trost, Severin Meister, Hannes Lindenblatt, Rolf Treusch, Krishnendu Gope, Thomas Pfeifer, Roi Baer, Robert Moshammer and Daniel Strasser
Nature Communications 15, 6322 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50759-2

Weblinks:

Gruppe „Ionisierende Atome und Moleküle in starken Feldern“ in der Abteilung Pfeifer am MPIK

Gruppe von Daniel Strasser an der HUJI

Gruppe von Roi Baer an der HUJI

Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY