Wie man Helium-Moleküle macht - wissenschaft.de
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Wie man Helium-Moleküle macht

Auf Himmelskörpern mit extrem starken Magnetfeldern wie Weißen Zwergen könnte eine ganz eigene Chemie herrschen. Dort könnten zum Beispiel Helium-Moleküle entstehen, berichten Kai Lange und Kollegen. Die Forscher beschreiben eine bislang unbekannte Form der chemischen Bindung, die sie „senkrechte paramagnetische Bindung“ nennen.

Chemiker unterscheiden bislang grundsätzlich zwei Formen von chemischer Bindung: zum einen die Elektronenpaarbindung, bei dem sich zwei Atome ein Elektronenpaar teilen, wie zum Beispiel im Wasserstoff-Molekül. Zum anderen gibt es die Ionenbindung. Dabei gibt ein Atom ein oder mehrere Elektronen an ein anderes Atom ab. Die beiden positiv und negativ geladenen Ionen werden dann durch die elektrostatische Coulomb-Anziehung aneinander gebunden.

Dem Orbitalmodell zufolge können zwei Atome dann eine Bindung eingehen, wenn das Elektronenpaar des Moleküls einen niedrigeren Energiezustand hat als die Elektronen der Einzel-Atome. Dabei gibt es bindende Orbitale mit niedrigerem Energieniveau und antibindende Orbitale, deren Energieniveau höher liegt. Bei einer Verbindung von zwei Helium-Atomen zum Helium-Molekül wären sowohl das bindende als auch das antibindende Orbital gefüllt. Da das Gesamtsystem energetisch nicht niedriger liegt als die Einzel-Atome, kommt keine Bindung zustande.

Unter Bedingungen wie auf der Erde haben Magnetfelder keinen Einfluss auf chemische Bindungen. Lange und seine Kollegen untersuchen nun jedoch mit Computersimulationen, welchen Gesetzen Atome in extrem starken Magnetfeldern unterliegen, wie sie auf manchen Weißen Zwergen herrschen. Dort können die Magnetfelder zehntausendmal so stark sein wie in den leistungsfähigsten Kernspintomographen. Das Magnetfeld mancher Neutronensterne liegt sogar noch um mehrere Größenordnungen darüber.

Wie die Forscher berichten, erschließt sich bei solch starken Magnetfeldern eine völlig andere Welt. Die nicht-bindenden Orbitale werden in starken Magnetfeldern stabilisiert, wenn sie senkrecht zum Magnetfeld liegen, schreiben die Forscher. So können zum Beispiel Moleküle aus zwei Helium-Atomen entstehen. Auch ein Zustand des Wasserstoff-Moleküls, der normalerweise instabil ist, überdauert der Studie zufolge bei starken Magnetfeldern.

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?Die Welt der magnetisierten Materie ist noch weitgehend unerforscht?, schreibt Peter Schmelcher von der Universität Hamburg in einem begleitenden Kommentar. Diese Welt sei noch größtenteils verborgen, da die nötigen Feldstärken im Labor nicht erzeugt werden können. Doch für einige Millisekunden können Felder im Labor mittlerweile immerhin ein Hundertstel der Feldstärke eines Weißen Zwergs erreichen. Schon in diesem Bereich sei mit interessanten Effekten zu rechnen.

Kai Lange (University of Oslo, Norwegen) et al: Science, Bd. 337, S. 327 © wissenschaft.de – Ute Kehse
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