Tiefer Blick ins einzelne Molekül - Photonik

Tiefer Blick ins einzelne Molekül

Erstmals konnte die Veränderung des Rotationszustandes eines Molekülions in Echtzeit verfolgt werden. Dies ermöglicht eine neue Methode der Präzisionsspektroskopie mit vielfältigen Anwendungen.

Bild: PTB
Konzeptioneller Aufbau des Experiments: MgH+ (orange) und Mg+ (grün) sind gemeinsam in einer linearen... mehr...

Atome können mithilfe von Lasern manipuliert und mit höchster Genauigkeit untersucht werden, z. B. in optischen Uhren. Dabei kommt der Messung des Quantenzustands eine zentrale Rolle zu: Leuchtet das Atom bei Bestrahlung mit einem Laser, ist sein Zustand bekannt. Viele Atome und die meisten Moleküle können jedoch nicht leuchten. Zur Detektion von Molekülen hat man daher ausgenutzt, dass sich diese – abhängig von ihrem Quantenzustand – bei Bestrahlung mit speziellem Laserlicht in ihre atomaren Bestandteile zerlegen. Durch die Zerstörung des Moleküls kann so der Quantenzustand nachgewiesen werden - allerdings nur einmal pro Molekül.

Bei der Photonen-Rückstoß-Spektroskopie ist das Prinzip immer dasselbe: Man stellt dem zu messenden Teilchen ein zweites zur Seite, das man gut manipulieren und detektieren kann. Durch die elektrische Abstoßung sind die beiden gefangenen Ionen wie mit einer starken Feder verbunden, sodass sie alle Bewegungen synchron ausführen. So kann man an einem Teilchen messen, um die Eigenschaften des anderen Teilchens zu ermitteln. Konkret verwenden Piet Schmidt und seine Kollegen vom QUEST-Institut in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein molekulares MgH+-Ion (das sie untersuchen wollen) und ein atomares Mg+-Ion (an dem sie die Messungen durchführen). Sie fangen die beiden einzelnen Teilchen in einer Ionenfalle zwischen elektrischen Feldern ein. Dann kühlen sie sie mithilfe von Lasern bis in den Grundzustand, in dem die synchrone Schwingung der beiden Teilchen fast zum Stillstand kommt.

Um herauszufinden, in welchem quantenmechanischen Rotationszustand sich das Molekül gerade befindet, benutzen die Wissenschaftler einen weiteren Laser, der einer optischen Pinzette ähnelt. Mit diesem können Kräfte auf das Molekül ausgeübt werden. Der Laser rüttle an dem Molekül, aber nur dann, wenn es sich gerade in einem ganz bestimmten Rotationszustand befinde, erläutert Physiker Fabian Wolf. Die Wirkung – eine Anregung der gemeinsamen Bewegung von Molekül und Atom – könnten sie über das Atom mithilfe von weiteren Lasern nachweisen. Leuchtet das Atom, war das Molekül im ausgewählten Rotationszustand.

Durch den zerstörungsfreien Nachweis konnte in Echtzeit beobachtet werden, wie das Molekül von der Wärmestrahlung in den Rotationszustand gebracht werde und wann es von diesem in einen anderen springe. Dies sei das erste Mal, dass solche Quantensprünge in einem isolierten Molekül direkt beobachtet werden konnten. Außerdem habe man genauer als je zuvor die Übergangsfrequenz zu einem elektronisch angeregten Zustand gemessen, betont Schmidt.

Die Forscher sind sicher, dass ihre neue präzise Spektroskopiemethode in vielen Bereichen, z. B. Chemie, Astronomie oder Physik, Anwendung finden wird. Um diese Anwendungen zu erschließen, müsse die optische Spektroskopie an Molekülionen auf ein Niveau gehoben werden, wie es bei optischen Uhren jetzt schon mit Atomen geschafft wurde, gibt Schmidt das Ziel vor.

Originalveröffentlichung:

[F. Wolf, Y. Wan, J. C. Heip, F. Gebert, C. Shi, P. O. Schmidt, Non-destructive state detection for quantum logic spectroscopy of molecular ions, Nature (2016), DOI: 10.1038/nature16513]

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