Basel: Forschende regen «verbotene» Schwingungen in Molekülen an
Einem Team der Universität Basel ist es gelungen, «verbotene» Schwingungen einzelner Stickstoffmoleküle nachzuweisen – ohne diese dabei zu zerstören.
Präzise Experimente an einzelnen Molekülen könnten eines Tages helfen, noch präzisere Uhren und Quantenbits zu entwickeln sowie grundlegende Naturgesetze zu überprüfen. Forschende der Universität Basel haben einen wichtigen Schritt dorthin geschafft, indem sie «verbotene» Anregungen von Schwingungen einzelner Stickstoffmoleküle nachgewiesen haben. Das Besondere: Die einzelnen Moleküle bleiben dabei erhalten und lassen sich immer wieder untersuchen.
Das grüne Leuchten von Polarlichtern entsteht durch einen Quantensprung, den Physikerinnen und Physiker als «verboten» bezeichnen. Dabei wechselt ein Atom von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand und gibt Licht ab. «Verboten» bedeutet in der Quantenphysik allerdings nicht unmöglich, sondern nur äusserst unwahrscheinlich.
Auch in Molekülen gibt es solche «verbotenen» Vorgänge. Moleküle können Licht aufnehmen und dadurch stärker schwingen. Bei bestimmten Schwingungen gelingt das jedoch nur äusserst selten: Sie lassen sich durch Infrarotlicht Milliarden Mal schwerer anregen als gewöhnliche Molekülschwingungen.
Gerade diese schwer anregbaren Schwingungen sind für die Forschung interessant. Denn sie reagieren nur auf Licht mit einer sehr genau bestimmten Frequenz. Diese könnte als präziser Taktgeber für eine Uhr dienen.
Bei Atomen nutzt man vergleichbare Vorgänge bereits für die genauesten Uhren der Welt. Moleküle bestehen jedoch aus mehreren Atomen und können auf vielfältige Weise schwingen und sich drehen. Das macht es deutlich schwieriger, die gesuchten Schwingungen aufzuspüren und zu steuern.
Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel ist dies nun bei einzelnen, in einer Falle festgehaltenen Molekülen gelungen. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift «Nature Communications» erschienen.
Ein Calcium-Ion als Vermittler
Das Team untersuchte einzelne Stickstoffmoleküle, die eine positive elektrische Ladung tragen. Solche geladenen Moleküle heissen Molekülionen. Bereits 2014 hatte Willitschs Gruppe erstmals verbotene Schwingungen in einer Probe von vielen Molekülionen beobachtet.
Das damalige chemische Nachweisverfahren zerstörte die Moleküle jedoch bei jeder Messung.
«Um die höchste Messpräzision zu erreichen, ist es viel besser, Experimente an einzelnen Molekülen durchzuführen, ohne diese dabei zu verlieren», sagt Stefan Willitsch.
Dazu nutzen die Forschenden ein geladenes Calcium-Atom als Vermittler. Sie halten es zusammen mit einem einzelnen geladenen Stickstoffmolekül in einer Falle fest. Das Calcium-Atom lässt sich mit Laserlicht zum Leuchten bringen und verrät so den Zustand des Stickstoffmoleküls. Die Methode heisst Quantenlogik-Spektroskopie.
Ein präzise abgestimmter Laser versetzt die beiden Teilchen gemeinsam in Bewegung. Das geschieht jedoch nur, wenn sich das Stickstoffmolekül in seinem niedrigsten Energiezustand befindet. Die Reaktion des Calcium-Ions verrät somit, ob das Molekül in diesem Zustand ist.
Die Messung selbst verändert den Zustand des Moleküls nicht.
Dasselbe Molekül immer wieder messen
Mit einem weiteren Laser regt das Team die «verbotenen» Schwingungen an. Dazu verändert es die Frequenz des Laserlichts, bis es die passende trifft. Ein Laserpuls versetzt das Molekül in einen höheren Energiezustand, ein zweiter bringt es zurück.
Die gesuchten Lichtfrequenzen erscheinen in den Messungen als sogenannte Spektrallinien. «Dass wir dasselbe Molekül immer wieder verwenden konnten, war entscheidend. Erst dadurch wurde die Suche nach derart schwachen Spektrallinien möglich», sagt Dr. Aleksandr Shlykov, Co-Erstautor der Studie.
Durch Messungen an mehreren Hundert einzelnen Molekülen bestimmte das Team die charakteristische Schwingungsfrequenz des Stickstoff-Ions zehnmal präziser als bisher.
Von Moleküluhren zu neuer Physik
Die Frequenzen einiger untersuchter Übergänge sollten sich theoretischen Vorhersagen zufolge durch äussere Einflüsse kaum verändern. Das ist für eine Uhr entscheidend: Ihr Takt soll möglichst gleichmässig bleiben. «Damit sind sie sehr vielversprechende Kandidaten für künftige Moleküluhren und Qubits», sagt Stefan Willitsch.
Qubits sind die grundlegenden Informationseinheiten eines Quantencomputers.
Präzise Messungen von Molekülschwingungen könnten auch helfen, grundlegende Naturgesetze zu überprüfen. Wie ein Molekül schwingt, hängt unter anderem von der Masse seiner Atomkerne ab. Forschende könnten deshalb untersuchen, ob das Massenverhältnis zweier Bausteine der Materie, der Protonen und Elektronen, über die Zeit konstant bleibt. Eine Veränderung würde auf bislang unbekannte Physik hinweisen.
