Quelle: Universität Würzburg.

23. Dezember 2021 – Der Wechsel zwischen Singulett- und Triplett-Zustand von Elektronenpaaren in ladungsgetrennten Zuständen spielt in der Natur eine wichtige Rolle. Vermutlich kann auch der Kompass von Zugvögeln mit dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf das Wechselspiel zwischen diesen beiden Spinzuständen erklärt werden.

Dieser Quantenprozess war bislang optisch nicht direkt verfolgbar. Eine Forschungskooperation mit den Chemieprofessoren Ulrich Steiner von der Universität Konstanz und Christoph Lambert von der Universität Würzburg an der Spitze stellt im Wissenschaftsjournal Science mit der Pump-Push-Puls-Technik nun eine Methode vor, mit der sich der zeitliche Verlauf der Singulett/Triplett-Einstellungen erstmals optisch bestimmen lässt. Das eröffnet neue Wege, etwa im Bereich organischer Solarzellen, aber auch für Qubits in Quantencomputern.

Lichtenergie hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau
Normalerweise besetzen Elektronen in einem Molekül die quantentheoretisch möglichen Bahnen paarweise. Dabei ist die Eigenschaft des Eigendrehimpulses der Elektronen, ihres sogenannten Spins, von entscheidender Bedeutung.

Nach dem Pauli-Prinzip der Quantentheorie können zwei Elektronen nur dann auf der gleichen Bahn laufen, wenn ihr Spin antiparallel ist. Dreht sich das eine Elektron rechtsherum, muss sich das andere linksherum drehen. Im molekularen Grundzustand sind in der Regel alle Elektronenspins gepaart.

Durch Anregung mit Licht wird ein einzelnes Elektron aus der Paarkonstellation gelöst und auf ein energetisch höheres Niveau gehoben, wo es allein eine freie Bahn besetzt. Von hier kann es dann weiter auf eine freie Bahn in einem geeigneten Nachbarmolekül überspringen.

Das Ergebnis stellt eine photoinduzierte Elektronübertragung dar. Die beiden vereinzelten Elektronen können nun durch magnetische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung ihre Spin-Einstellung unabhängig voneinander verändern, da sie nicht mehr durch das Pauli-Prinzip eingeschränkt sind.

Die beiden separierten Elektronen bilden ein Radikalpaar
Eine solche Ladungstrennung durch photoinduzierte Elektronenübertragung findet beispielsweise auch bei der Photosynthese statt.

Die Energie des übertragenen Elektrons nimmt bei diesem Schritt nur wenig ab, sodass der größte Teil der anfänglich durch die Lichtanregung aufgenommenen elektronischen Energie noch erhalten ist. Diese ursprüngliche Anregungsenergie ist somit in chemischer Form gespeichert. Der ladungsgetrennte Zustand mit den beiden separierten Elektronen wird in der Chemie auch als Radikalpaar bezeichnet.

Sind die Spins der beiden Elektronen parallel ausgerichtet, spricht man von einem Triplett-Zustand, sind sie antiparallel ausgerichtet, von einem Singulett-Zustand des Radikalpaares. Durch die freie individuelle Entwicklung der beiden Spins wechselt der Spin-Zustand des Radikalpaars zwischen Singulett- und Triplett-Zustand hin und her. Da energetisch zwischen diesen Spin-Ausrichtungen kein großer Unterschied besteht, waren sie bislang optisch nicht direkt unterscheidbar.

Eine Energiestabilisierung des Radikalpaars kann erfolgen, indem das Radikalelektron vom Akzeptormolekül zurückspringt zum Donormolekül und sich so unter Energiefreisetzung der ursprüngliche Singulett-Zustand wieder zurückbildet. Damit es sich jedoch wieder mit dem ursprünglichen Partnerelektron paaren kann, muss sein Spin zu diesem entgegengesetzt geblieben sein, was durch eine zwischenzeitlich mögliche Spin-Umorientierung nicht unbedingt der Fall ist. Hat es aktuell eine andere Spin-Einstellung, kann es zwar nicht auf seine ursprüngliche Bahn zurück, aber durch Übergang in eine andere, noch freie tiefere Bahn am Akzeptor ebenfalls Energie abgeben.

Es bildet sich so ein Triplett-Produkt am Akzeptor, das von dem Singulett-Produkt am Donor optisch unterschieden werden kann.

Radikalpaar als Modell für Qubits und den Magnetfeldsensor von Zugvögeln
Die Phase, in der die Radikalpaare zwischen dem Singulett- und dem Triplett-Zustand hin- und herpendeln, ist in vielerlei Hinsicht von besonderem Interesse.

Da es sich um eine quantenmechanisch gesteuerte kohärente Bewegung handelt, ist sie grundsätzlich, etwa durch ein äußeres Magnetfeld, kontrollierbar. Mit solchen Bewegungen werden beispielsweise in der Physik Quantenrechner realisiert.

„Unser Radikalpaar kann als Modell für Qubits dienen, wie sie in Quantenrechnern als Elemente vorhanden sind, oder für das Verständnis der Funktion von Radikalpaaren in dem eingangs erwähnten biologischen Kompass von Zugvögeln. Aus solchen Gründen ist es von Interesse zu wissen, wie der Spin in diesem Prozess ausgerichtet ist“, sagt Ulrich Steiner, der in Konstanz zu Photokinetik und Spin-Chemie forscht.

Pump-Push-Technik ermöglicht die Bestimmung von Singulett/Triplett-Einstellungen
Im Labor von Christoph Lambert in Würzburg wurde mit der magnetfeldabhängigen Pump-Push-Technik ein experimentelles Verfahren entwickelt, mit dem es zum ersten Mal möglich ist, die Singulett/Triplett-Einstellungen zu bestimmten Zeitpunkten in einem speziell für diese Untersuchungen synthetisierten Donor-Akzeptor-Molekül auszulesen.

Zunächst wird mit einem sogenannten Pump-Laser-Puls der Elektronentransfer vom Donor- zum Akzeptormolekül initiiert. Dabei entsteht der ladungsgetrennte Zustand mit Singulett-Spin. Die ungepaarten Elektronen-Spins können sich nun zeitlich entwickeln.

Nach einer gewissen Zeit wird ein zweiter Laser-Puls hinterhergeschickt. „Durch diesen Push-Laser-Puls wird wieder ein Elektron vom Akzeptor- zum Donormolekül zurückübertragen, wobei der zweite Laserpuls das System zwingt, sofort die Entscheidung zwischen Triplett- oder Singulett-Produktbildung zu treffen, wofür sich das Radikalpaar normalerweise mehrere Spin-Oszillationsperioden Zeit lassen würde“, sagt Ulrich Steiner, der mit seinem russischen Kollegen die Interpretation der Experimente durch quantentheoretische Modellrechnungen belegt hat.

Auf diese Weise lassen sich quasi Schnappschüsse des Spin-Zustandes des Radikalpaares zu verschiedenen Zeitpunkten aufnehmen und die periodische Umwandlung von Singulett- und Triplett-Radikalpaar beweisen.

Publikation
David Mims, Jonathan Herpich, Nikita N. Lukzen, Ulrich E. Steiner, Christoph Lambert. Readout of spin quantum beats in a charge-separated radical pair by pump-push spectroscopy. Science, 16. Dezember 2021, Vol 374, DOI: 10.1126/science.abl4254

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• Teilchenumwandlung

Der Beitrag Schnappschüsse aus der Quantenwelt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: CAS, CCTV, CNSA, Xinhua.

Befördert wurden die Satelliten von einer vom chinesischen Institut für Trägerraketenforschung (China Launch Vehicle Technology Research Institute, bzw. China Academy of Launch Vehicle Technology, CALT) entwickelten zweistufigen Rakete des Typs Langer Marsch 2C bzw. Chang Zheng-2C (LM-2C / CZ-2C). Die unter anderem von der chinesischen nationalen Raumfahrtbehörde (China National Space Administration, CNSA) und der chinesischen Akademie der Wissenschaften (Chinese Academy of Sciences, CAS) mehr oder weniger gleichlautend zitierte staatliche chinesische Nachrichtenagentur Xinhua meldete den 265. Start einer Rakete mit dem Namensbestandteil Langer Marsch insgesamt und berichtete, die Satelliten hätten den vorgesehenen Orbit erreicht, der Start sei ein vollständiger Erfolg.

Der Start erfolgte am 25. Januar 2018 um 13:39 Uhr und 5 Sekunden Pekinger Zeit, das ist 6:39 Uhr und 5 Sekunden MEZ, von der Rampe Nr. 3 des Satellitenstartzentrums Xichang. Letzteres befindet sich in rund 65 Kilometern Abstand von der Stadt Xichang. Exakte Startzeit gemäß Displaydarstellung im Startkontrollzentrum war 13:39:04,986 Uhr Pekinger Zeit.

Nach von der US-amerikanischen Weltraumüberwachung ermittelten Daten gelangten die drei ins All transportierten Satelliten auf sehr ähnliche, rund 35 Grad gegen den Erdäquator geneigte Bahnen: Yaogan-30 04 Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 bewegen sich in Höhen zwischen 588 und 603 Kilometern über der Erde. Der außerdem ins All beförderte Kleinstsatellit Weina 1A Weixing gelangte auf eine ebenfalls rund 35 Grad gegen den Erdäquator geneigte Bahn in Flughöhen zwischen 585 und 615 Kilometern über der Erde. Die Zweite Stufe der Trägerrakete wurde zwischenzeitlich auf einer etwa 34,95 Grad geneigten Bahn mit einem der Erde nächsten Bahnpunkt von rund 395 und einer Erdferne von rund 605 Kilometern beobachtet.

Die neuen Yaogan-Satelliten dienen nach Angaben von Xinhua elektromagnetischen Untersuchungen und weiteren Experimenten. In ihrer deutschsprachigen Ausgabe bezeichnet Xinhua die neuen Erdtrabanten als Fernerkundungssatelliten. Laut früheren Meldungen zu vorher gestarteten Raumfahrzeugen der selben Serie sind sie Konstruktionen eines Innovationszentrums für Mikrosatelliten der chinesischen Akademie der Wissenschaften (Chinese Academy of Sciences Institute of Microsatellite Innovation).

Westliche Beobachter chinesischer Raumfahrtprogramme vermuten, dass die drei Satelliten wie andere früher gestartete Dreifachkonstellationen der elektronischen Aufklärung dienen. Dabei können elektromagnetische Abstrahlungen von militärischen Objekten am Erdboden und auf den Weltmeeren, wie zum Beispiel von Schiffen der Marinen andere Staaten, an Bord von Satelliten empfangen und zur Analyse zu geeigneten Bodenstationen weitergeleitet werden. Die Auswertung der so gewonnenen Daten kann zu Aussagen über Art, Eigenschaften und Leistung der Objekte führen, die die elektromagnetische Strahlung abgegeben haben.

Darüber hinaus könnte der Einsatz von jeweils drei Satelliten auch genaue Standortbestimmungen von abstrahlenden Objekten erlauben, da unterschiedliche Signallaufzeiten von einem Objekt zu den drei Satelliten eines Tripletts Peilungen zulassen.

Für möglich hält man auch, dass die Satelliten mit aufeinander abgestimmten Umlaufbahnen Aufgaben im Bereich der Raketenfrühwarnung erfüllen könnten. Spekuliert wird außerdem, dass die Satelliten mit optischen Instrumenten oder Radaranlagen ausgerüstet sind. Letzteres hält der Autor auf Grund der Größe der Satelliten für eher unwahrscheinlich.

Zur Yaogan-30-Serie zählen jetzt vier Gruppen aus jeweils drei Satelliten. Die ersten drei Gruppen gelangten am 29. September 2017, am 24. November 2017 und am 25. Dezember 2017 ins All. Das Tempo, das China bei der Verwirklichung dieser auch Chuangxin 5 genannten Konstellation an den Tag gelegt hat, ist beachtlich. Außerdem bemerkenswert: Der Start am 25. Januar 2018 war schon der fünfte chinesische innerhalb von 17 Tagen.

Weina-1A Weixing (微纳-1A卫星) ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.169 und als COSPAR-Objekt 2018-011A. Yaogan-30 04 Nr. 1 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.170 und als COSPAR-Objekt 2018-011B. Yaogan-30 04 Nr. 2 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.171 und als COSPAR-Objekt 2018-011C. Yaogan-30 04 Nr. 3 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.172 und als COSPAR-Objekt 2018-011D. Die zweite Stufe der Trägerrakete ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.173 und als COSPAR-Objekt 2018-011E.

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• Chinesische Trägerstarts

Der Beitrag China: Satellitentriplett Yaogan-30 04 gestartet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Skyrocket, Space Launch Report, Raumcon, CAST.

Von offizieller chinesischer Seite werden wissenschaftliche Anwendungen wie Landvermessung, Katastrophenmanagement oder Erntevorhersagen als Hauptanwendungen angegeben. Die Dreiecksformation weist allerdings darauf hin, dass die Ortung von Funksendern ein Hauptzweck der Mission ist. Allein aufgrund ihrer Funkemissionen können damit beispielsweise die Positionen von Schiffen auf den Weltmeeren auch bei Bewölkung und Dunkelheit festgestellt werden.

Der Start der drei Satelliten erfolgte am 1. September 2013, gegen 21.16 Uhr MESZ vom Jiuquan Satellitenstartzentrum an der Spitze einer Rakete des Typs Langer Marsch 4C (CZ-4C). Bereits zweimal hat die Volksrepublik China derartige Satellitenformationen ins All gebracht: Yaogan 9 im März 2010 und Yaogan 16 im November 2012.

Die Bahnen der Satelliten liegen in etwa 1.100 Kilometern Höhe bei einer Bahnneigung von 63,4 Grad gegen den Äquator.

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• Chinesische Trägerstarts ab 3. September 2013

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