Ein Riese unter den Molekülen

Zwei tiefgekühlte Rubidiumatome verbinden sich zu einem gigantischen Molekül, das so groß wie ein Virus ist. Zusammengehalten wird das Objekt von nur einem einzelnen Elektron, das auf einer Kreisbahn umläuft.

Von Rainer Scharf

Atome und Moleküle sind normalerweise winzige Objekte, die nur Bruchteile eines Millionstelmillimeters messen. Die kleinsten Strukturen der Nanotechnik erscheinen im Vergleich dazu riesig. Doch jetzt haben Forscher von der Universität Stuttgart aus jeweils zwei Rubidiumatomen Moleküle hergestellt, die tausend Mal so groß sind wie gewöhnliche Moleküle und die damit selbst so manches Virus in den Schatten stellen.

So erstaunlich die Größe dieser Moleküle ist, so ungewöhnlich ist der Mechanismus, der die beiden Rubidiumatome aneinanderbindet. Normalerweise schließen sich zwei Atome derselben Sorte zu einem Molekül zusammen, indem sie sich mindestens ein Elektronenpaar teilen. Diese Bindungselektronen bilden eine negative Ladungswolke, von der die Kerne der beiden Atome angezogen werden. Kommen sich die Atomkerne jedoch zu nahe, stoßen sie einander ab. Dadurch halten die Atome stets einen bestimmten Abstand zueinander. In den Rydberg-Molekülen, die die Forscher um Vera Bendkowsky und Tilman Pfau in ihrem Labor erzeugt haben, werden die beiden Rubidiumatome hingegen nur von einem einzelnen Elektron zusammengehalten ("Nature", Bd. 458, S. 1005).

Zur Herstellung der äußerst fragilen zweiatomigen Giganten sperrten die Wissenschaftler ein Gaswölkchen aus Rubidiumatomen in eine Magnetfalle und kühlten es auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Dadurch führten die Teilchen kaum noch Wärmeschwingungen aus. Zudem waren ihre Abstände untereinander äußerst gering. Dann bestrahlten Pfau und seine Kollegen das Ensemble mit einem Laserpuls, der einen Teil der Atome aus ihrem Grundzustand in ein besonders hochangeregtes Niveau beförderte. Es entstanden sogenannte Rydberg-Atome, deren äußerste Elektronen sich recht weit vom jeweiligen Atomkern entfernt aufhielten und eine riesige Ladungswolke bildeten. Dadurch blähten sich die Atome auf einen Durchmesser von mehr als hundert Nanometer auf. Die weitaus meisten strahlten nach etwa 60 Mikrosekunden ihre Anregungsenergie als Licht ab, wodurch sie wieder auf die Größe "normaler" Atome im Grundzustand schrumpften.

Kam das äußere Elektron eines langsamen Rydberg-Atoms mit einem normalen Rubidiumatom in unmittelbarer Nachbarschaft in Berührung, so geriet es in die Zwickmühle. Einerseits war es noch an den Rumpf des Rydberg-Atoms gebunden. Andererseits hatte es sich von diesem jedoch so weit entfernt, dass es wie ein ungebundenes isoliertes Elektron auf das normale Atom wirkte. Indem es durch seine Ladung die Elektronenhülle des Nachbaratoms polarisierte, rief es schwache elektrische Anziehungskräfte zwischen den beiden Atomen hervor. Das Rydberg-Atom und das normale Atom verbanden sich daraufhin locker zu einem Rydberg-Molekül. Mit einem Durchmesser von rund hundert Nanometern zählt es zu den größten bekannten zweiatomigen Molekülen. Seine Ausdehnung wird maßgeblich von der Größe der Umlaufbahn des Elektrons des hochangeregten Atoms bestimmt.

Trotz seiner enormen Größe kann man ein Rydberg-Molekül mit herkömmlichen Verfahren nicht sichtbar machen. Zum Nachweis des Gebildes mussten die Forscher deshalb einen indirekten Weg einschlagen. Pfau und seine Kollegen nutzten den Umstand, dass sich die Anregungsenergien des Rydberg-Atoms um einen kleinen Betrag verringern, wenn es mit einem normalen Atom eine Zweierbeziehung eingegangen ist. Diese verräterische Energieänderung, die maßgeblich von der Bindungsenergie des Moleküls bestimmt wird, haben die Stuttgarter Forscher tatsächlich beobachtet. Die Rydberg-Moleküle, die bisweilen wie gewöhnliche zweiatomige Moleküle Schwingungen ausführten, hatten etwa zwanzig Mikrosekunden lang Bestand, bevor sie in ihre Einzelteile zerfielen. Warum die Moleküle deutlich kürzer leben als die Rydberg-Atome, ist noch unklar.

Die Rydberg-Moleküle haben eine weitere Besonderheit. Das Elektron, das die beiden Atome aneinanderbindet, kann recht exotische Quantenzustände annehmen. Das äußert sich in der räumlichen Verteilung der Ladungswolke des Elektrons, deren Gestalt an einen Schmetterling oder einen Trilobiten erinnert. Bereiche von hoher und geringer Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons wechseln sich ab. Nur dort, wo das Elektron häufig zu finden ist, kann es das normale Atom festhalten und an das Rydberg-Atom binden. Je nach Quantenzustand des Elektrons hat das Molekül dann eine entsprechend bizarre Gestalt. Theoretisch könnte das Elektron auch noch ein weiteres Atom binden, so dass ein Rydberg-Molekül aus drei Atomen entstünde. Solche wahrhaft exotischen Objekte hoffen die Forscher in zukünftigen Experimenten herstellen und beobachten zu können.

Text: F.A.Z., 27.05.2009, Nr. 121 / Seite N2