Physiker erzeugen "molekulares Schwarzes Loch"

1. Juni 2017, 11:51
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Elektromagnetische Saugkraft: Mit Röntgenblitz beschossenes Atom zieht im Bruchteil einer Sekunde die Elektronen seiner Nachbarn ab

Menlo Park/Hamburg – Erfolg mit einem Spektakel im Miniaturformat meldet das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY): Einem internationalen Physikerteam ist es gelungen, mit einem ultraintensiven Röntgenblitz ein einzelnes Atom in einem Molekül kurzzeitig in eine Art "Schwarzes Loch" zu verwandeln – allerdings ein elektromagnetisches: Denn es saugt über seine elektrische Ladung Elektronen an und lässt damit das Molekül innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils explodieren.

Rekord-Ionisation

Die Forscher beschossen Moleküle der organischen Halogenverbindung Iodmethan (CH₃I) mit einem Röntgenlaser am US-Beschleunigerzentrum SLAC im kalifornischen Menlo Park. Die Blitze erreichten dabei eine Intensität von 100 Billiarden Kilowatt pro Quadratzentimeter. Das extrem energiereiche Röntgenlicht schlug 54 der 62 Elektronen aus dem Molekül, so entstand ein 54-fach positiv geladenes Molekül. "Das ist unseres Wissens die höchste Ionisation, die je mit Licht erreicht worden ist", sagt Studienkoautor Robin Santra vom DESY.

Der Röntgenblitz entreiße dem Iod-Atom zunächst fünf bis sechs seiner Elektronen, erklärt der Hamburger Forscher. Durch die resultierende hohe positive Ladung vergreife sich das Atom an den benachbarten Atomen: Es saugt die Elektronen von der Methylgruppe ab wie eine Art atomares Schwarzes Loch. Die auf die Elektronen einwirkende Kraft sei dabei sogar wesentlich stärker als die eines typischen astrophysikalischen Schwarzen Lochs mit der Masse von etwa zehn Sonnen: "Solch ein echtes Schwarzes Loch könnte durch seine Gravitation auf ein Elektron keine vergleichbar hohe Kraft ausüben, egal wie nah man das Elektron an das Schwarze Loch heranbringt", sagt Santra.

Der Vorgang sei so schnell, dass die abgesaugten Elektronen noch vom selben Röntgenblitz hinauskatapultiert werden. Es entstehe eine Kettenreaktion, in deren Verlauf dem Iodmethan bis zu 54 seiner 62 Elektronen entrissen werden – alles in weniger als einer Billionstelsekunde.

Hintergrund der Forschungen

Das Experiment ist aber keineswegs nur aus Spaß an der Freud' durchgeführt worden: Die Beobachtung dieser ultraschnellen Dynamik habe große Bedeutung für die Analyse komplexer Moleküle mit sogenannten Freie-Elektronen-Röntgenlasern (XFEL), hieß es vom DESY. Einer davon ist die Linac Coherent Light Source (LCLS) in Kalifornien – ein anderer der European XFEL bei Hamburg, der gerade in Betrieb genommen wird.

Solche Anlagen können extrem intensives Röntgenlicht erzeugen, mit dem sich unter anderem die räumliche Struktur komplexer Moleküle auf einzelne Atome genau bestimmen lässt. Aus diesen Strukturinformationen können Biologen unter anderem auf die genaue Funktionsweise von Biomolekülen schließen. (red, 1. 6. 2017)

  • Illustration des ultraschnellen Vorgangs: In weniger als einer Billionstelsekunde ist alles vorbei.
    illustration: science communication lab/desy

    Illustration des ultraschnellen Vorgangs: In weniger als einer Billionstelsekunde ist alles vorbei.

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