Direkte Abbildung von Riesenmolekülen

Die optische Auflösung einzelner Konstituenten herkömmlicher Moleküle ist aufgrund der kleinen Bindungslänge im Sub-Nanometerbereich bisher nicht möglich. Forschern unter Leitung von Immanuel Bloch vom MPI für Quantenoptik ist es nun jedoch gelungen, Paare hochangeregter Atome auf dem Abstand eines Mikrometers zu binden. Die große Bindungslänge ermöglicht die mikroskopische Untersuchung der zugrundeliegenden Bindungsstruktur durch die direkte optische Auflösung der beiden gebundenen Atome.

Da Atome in unserer Umwelt fast ausschließlich gebunden auftreten, sind es gerade die Eigenschaften molekularer Bindungen, die die beobachtbaren Eigenschaften der materiellen Umgebung beschreiben. Rydbergatome, also Atome mit einem Elektron in einem hoch angeregten Bindungszustand, übertragen die einfache Struktur des Wasserstoffatoms auf komplexere Atome, weil das einzelne angeregte Elektron sehr weit vom Atomkern und den anderen Elektronen entfernt ist. Rydbergatome sind in den letzten Jahren außerdem aufgrund ihrer starken Wechselwirkungen untereinander in den Fokus der Forschung gerückt, die selbst auf Abständen mehrerer Mikrometer messbar sind und bereits Anwendungen im Bereich der Quantensimulation und des Quantencomputing finden.

Das Team um Immanuel Bloch und Christian Groß konnte diese Wechselwirkung nun nutzen, um mit Laserlicht gebundene Zustände aus zwei Rydbergatome anzuregen. „Die spektroskopisch aufgelösten Vibrationszustände der resultierenden Moleküle sind dank der vergleichsweise einfachen Theorie der Physik der Rydbergatome in quantitativer Übereinstimmung mit den theoretisch berechneten Werten. Die große Bindungslänge erlaubt außerdem einen direkten mikroskopischen Zugang zur Bindungslänge und der Orientierung der angeregten Moleküle”, sagt Team-Mitglied Simon Hollerith.

Im Experiment starteten die Forscher mit einem zweidimensionalen Atomgitter mit einem Gitterabstand von 0,53 Mikrometern, in dem jeder Gitterplatz mit genau einem Atom besetzt ist. Das Gitter wird hierbei mithilfe einer Überlagerung von Laserstrahlen erzeugt und hält die anfänglichen Grundzustandsatome fest. Da die erzeugten Moleküle vom Gitter abgestoßen werden, lässt eine Molekülanregung zwei leere Gitterplätze im Abstand der Bindungslänge – in diesem Fall der Abstand einer Gitterdiagonalen – zurück. Anschließend wird die verbleibende Atombesetzung des Gitters mit einem hoch auflösenden Objektiv optisch detektiert und Moleküle als korreliert unbesetzt auftretende Gitterplätze identifiziert.

Mithilfe dieser mikroskopischen Detektionsmethode konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die angeregten Moleküle der unterschiedlichen Resonanzlinien jeweils abwechselnd vermehrt parallel und senkrecht zur Polarisation des anregenden Laserlichtes orientiert sind. Der Grund hierfür ist ein ebenfalls von der Theorie vorhergesagter Interferenzeffekt, der sowohl auf der elektronischen Struktur des Moleküls als auch dem Vibrationsfreiheitsgrad des Moleküls beruht. Das Team plant nun, die neu entdeckten Molekülresonanzlinien zur Quantensimulation von Vielteilchensystemen zu verwenden. Die gebundenen Zustände zweier Rydbergatome können dabei zu einer Überhöhung der Wechselwirkungsstärke auf dem Abstand der Bindungslänge führen.

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Hollerith et al.: Quantum gas microscopy of Rydberg macrodimers, Science 364, 664 (2019); DOI: 10.1126/science.aaw4150
• Abt. Quantenvielteilchensysteme (I. Bloch),  Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching