Wenn Moleküle tanzen 14.01.2026, 18:49 Uhr

Quantenexperiment überrascht selbst die Physik: So fließt Energie wirklich

Neue Experimente zeigen: Energieübertragung hängt stärker von Schwingungen ab als gedacht. Ein Blick ins Quantenlabor.

Quanten-Gerät

Forscher unter der Leitung von Guido Pagano von der Rice University verwendeten ein spezielles Quanten-Gerät, um ein vibrierendes Molekül zu simulieren und zu verfolgen, wie sich Energie darin bewegt.

Foto: Jorge Vidal/Rice University.

Energieübertragung in Molekülen gehört zu den Grundfragen der Physik und Chemie. Sie entscheidet darüber, wie Photosynthese funktioniert, wie Solarzellen Licht in Strom umwandeln oder wie Ladungen durch organische Materialien wandern. Lange blieb dieser Prozess schwer zugänglich, weil sich einzelne Einflussfaktoren experimentell kaum trennen lassen. Ein Team um Guido Pagano von der Rice University zeigt nun, dass genau das möglich ist – mit einem eigens gebauten Quantensimulator.

Ein Molekül aus Licht und Atomen

Statt ein echtes Molekül zu untersuchen, bauten die Forschenden ein künstliches. Grundlage war eine Kette aus eingefangenen Ionen, also elektrisch geladenen Atomen, die mit Laserlicht präzise kontrolliert werden können. Zwei unterschiedliche Isotope desselben Elements übernahmen dabei klar getrennte Rollen. Das eine Isotop kodierte die Eigenschaften des Moleküls selbst, das andere bildete dessen Umgebung.

Dieses System verhält sich wie ein Molekül mit zwei Energieniveaus: einer Donatorstelle, die Energie abgibt, und einer Akzeptorstelle, die sie aufnimmt. Zusätzlich spielen Schwingungen eine Rolle – vergleichbar mit den Vibrationen realer Moleküle. Genau diese Schwingungen gelten seit Jahren als Schlüssel, um Energieübertragung besser zu verstehen.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
GOLDBECK West GmbH-Firmenlogo
Bauleiter im Innendienst (m/w/d) für die Ausschreibung und Vergabe im Schlüsselfertigbau GOLDBECK West GmbH
BIM Berliner Immobilienmanagement GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Versorgungstechnik / Gebäudetechnik / Bauingenieur als Fachplaner im Bereich HLS (m/w/d) BIM Berliner Immobilienmanagement GmbH
GOLDBECK West GmbH-Firmenlogo
Architekt / Bauingenieur als Projektleiter Planung (m/w/d) GOLDBECK West GmbH
Bochum, Düsseldorf (Monheim am Rhein) Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Konstruktionsingenieur im Änderungswesen (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Staatliche Gewerbeaufsicht Niedersachsen-Firmenlogo
Ingenieur/-in / Naturwissenschaftler/-in (m/w/d) für den Einsatz im Arbeitsschutz / Umweltschutz / Verbraucherschutz Staatliche Gewerbeaufsicht Niedersachsen
deutschlandweit Zum Job 
Bayerisches Staatsministerium für Wohnen, Bau und Verkehr-Firmenlogo
Energie- und Gebäudetechnik / Maschinenbau (m/w/d) Master - Traineeprogramm Maschinenwesen, Staatsbauverwaltung des Freistaats Bayern Bayerisches Staatsministerium für Wohnen, Bau und Verkehr
Bayernweit Zum Job 
RATISBONA-Firmenlogo
Tiefbauplaner / Bauingenieur für Tiefbau & Außenanlagen (m/w/d) RATISBONA
Regensburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) für die Projektleitung von Lärmschutz- und Brückenbauwerken Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Automatisierungstechniker (m/w/d) im Bereich Sondermaschinenbau Max Bögl Bauservice GmbH & Co. KG
Sengenthal bei Neumarkt in der Oberpfalz Zum Job 
Jungheinrich Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Tech Lead (m/w/d) Electric Powertrain / Elektromotoren Jungheinrich Aktiengesellschaft
Norderstedt Zum Job 
GOLDBECK West GmbH-Firmenlogo
Architekt / Bauingenieur als Sales Manager (m/w/d) für schlüsselfertige Gewerbeimmobilien GOLDBECK West GmbH
Clees Wohnimmobilien GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Bauingenieur (m/w/d) Clees Wohnimmobilien GmbH & Co. KG
Düsseldorf Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Head of Sales and Project Management (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Immobilien Management Essen GmbH (IME)-Firmenlogo
(Senior) Projektkoordinator (m/w/d) Hochbau & Stadtentwicklung Immobilien Management Essen GmbH (IME)
Allbau Managementgesellschaft mbH-Firmenlogo
Projektentwickler (m/w/d) Immobilien Allbau Managementgesellschaft mbH
RINGSPANN GmbH-Firmenlogo
Vertriebsingenieur (m/w/d) als Produkt-Account-Manager Antriebskomponenten/Bremsen RINGSPANN GmbH
Bad Homburg Zum Job 
Crawford & Company (Deutschland) GmbH-Firmenlogo
Technical Expert / Sachverständiger (w/m/d) Bereich Global Technical Services Crawford & Company (Deutschland) GmbH
verschiedene Einsatzorte Zum Job 
GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Schulbau GVE Grundstücksverwaltung Stadt Essen GmbH
KLEBL GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) für Hoch- und Schlüsselfertigbau KLEBL GmbH
Raum Berlin-Brandenburg Zum Job 
KLEBL GmbH-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) für Hoch- und Schlüsselfertigbau KLEBL GmbH
Frankfurt Zum Job 

Warum Schwingungen mehr sind als Nebensache

In klassischen Modellen galten molekulare Schwingungen oft als Störfaktor. Sie entziehen dem System Energie und erschweren einen sauberen Transfer. Das neue Experiment zeigt ein differenzierteres Bild. Die Forschenden konnten zwei verschiedene Schwingungsarten gezielt einstellen und zusätzlich festlegen, wie stark diese Energie an die Umgebung verlieren.

„Wir können nun beobachten, wie sich Energie in einem synthetischen Molekül bewegt, während wir jede Variable unabhängig voneinander anpassen, um zu sehen, was wirklich wichtig ist“, sagte Pagano.

Der entscheidende Punkt: Schwingungen eröffnen zusätzliche Wege, auf denen Energie vom Donator zum Akzeptor gelangt. In manchen Konfigurationen verstärken sich diese Wege sogar gegenseitig. Das Ergebnis ist ein schnellerer und robusterer Energietransfer – selbst dann, wenn das System kontinuierlich Energie an seine Umgebung abgibt.

Kontrolle statt chemischem Zufall

In realen Molekülen sind elektronische Zustände, Schwingungen und Umwelteinflüsse eng miteinander verknüpft. Wer einen Parameter ändert, beeinflusst fast immer mehrere andere. Der Quantensimulator umgeht dieses Problem. Laser mit exakt abgestimmten Frequenzen erzeugen die gewünschten Energiezustände und koppeln sie gezielt an die Schwingungen. Ein zusätzlicher Mechanismus sorgt dafür, dass die Schwingungen Energie verlieren dürfen – ähnlich wie in echten Materialien.

Damit entsteht eine experimentelle Situation, die klassische Chemie kaum bieten kann: Jede Stellschraube lässt sich einzeln drehen. So wird sichtbar, welche Faktoren den Energiefluss tatsächlich bestimmen und welche nur Begleiterscheinungen sind.

Überraschende Robustheit des Energieflusses

Ein zentrales Ergebnis der Arbeit betrifft die sogenannte Energieanpassung. Normalerweise funktioniert ein effizienter Transfer nur, wenn Donator- und Akzeptorenergien gut zueinander passen. Weichen sie stark voneinander ab, stockt der Fluss. Im Experiment zeigte sich jedoch: Bei mehreren Schwingungen verliert diese Abstimmung an Bedeutung. Der Energietransfer bleibt über einen deutlich größeren Bereich effizient.

„Die Ergebnisse zeigen, dass Schwingungen und ihre Umgebung nicht einfach nur Hintergrundgeräusche sind, sondern den Energiefluss auf unerwartete Weise aktiv steuern können“, sagte Pagano.

Damit rüttelt das Experiment an einem verbreiteten Bild der Energieübertragung. Es legt nahe, dass gezielt gestaltete Schwingungen ein Werkzeug sein können, um Energieflüsse zu lenken.

Relevanz für Technik und Materialien

Die Forschenden bleiben vorsichtig, was direkte Anwendungen angeht. Dennoch ist klar, wo die Ergebnisse langfristig ansetzen könnten. Organische Solarzellen, molekulare Drähte oder lichtaktive Materialien leiden oft unter Verlusten beim Energie- oder Ladungstransfer. Wer versteht, wie Schwingungen diesen Prozess unterstützen, kann Materialien so entwerfen, dass sie davon profitieren.

„Dies sind Phänomene, deren Existenz Physikalische Chemiker theoretisch angenommen haben, die sie jedoch bisher experimentell nicht leicht isolieren konnten, insbesondere nicht auf programmierbare Weise“, sagte Visal So, Doktorand an der Rice University und Erstautor der Studie.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.