Einfachstes Molekül eingefangen und angeregt

Das einfachste denkbare Molekül H₂⁺ zählt zu den ersten Molekülen überhaupt im Kosmos. Dies macht es bedeutend für die Astrophysik, aber auch zum wichtigen Forschungsobjekt für die Fundamental­physik. Experimentell ist es schwer zugänglich. Einem Physikerteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) gelang es nun erstmals, die Schwingungen des Moleküls mit einem Laser zu vermessen. Das Ergebnis stimmt mit hoher Genauigkeit mit der theoretischen Vorhersage überein.

H₂⁺ ist eines der ersten Moleküle, die nach dem Urknall entstanden. Denn es besteht aus den grund­legendsten Bausteinen, die sehr früh im Universum gebildet wurden: zwei Wasserstoffkernen und einem Elektron. Das Elektron bindet die beiden Protonen zu einem Molekül. Im Zusammenspiel von Teilchen­bewegungen und Kräften können die beiden Protonen schwingen und rotieren. Trotz oder gerade wegen seiner relativen Einfach­heit blieb H₂⁺ bislang relativ unerforscht. Denn aufgrund der gleichen Ladung und Masse der beiden Atomkerne absorbiert und emittiert das Molekül fast keine sichtbare und infrarote Strahlung. Entsprechend kann es fast nicht mit Teleskopen beobachtet werden, so dass Astronomen H₂⁺ nur sehr schwer im Universum aufspüren und erforschen können.

Die verschiedenen Schwingungs- und Rotations­zustände des Moleküls entsprechen bestimmten Anregungs­energien. Wechselt ein Molekül zwischen zwei solcher Zustände, absorbiert oder emittiert es einen charak­teristischen Energiebetrag als Photon. In früheren Laborexperimenten wurden diese Energieunterschiede zwischen bestimmten Schwingungs- und Rotationszuständen von H₂⁺ meist indirekt gemessen. In keinem dieser Experimente kamen Laser zum Einsatz. Soroosh Alighanbari, Magnus Schenkel und Stephan Schiller vom Düsseldorfer Institut für Experimentalphysik haben nun erstmals direkt untersucht, wie das H₂⁺-Molekül mit Hilfe von Laserlicht zu Rotationen und Schwingungen angeregt werden kann. Magnus Schenkel entwickelte ein weltweit einzig­artiges Lasersystem, mit dem der Übergang zwischen verschiedenen Rotations-Schwingungs­zuständen angeregt werden kann. Das Lasersystem ist besonders anspruchsvoll, da es mono­chromatische Laserstrahlung im Infrarot­bereich bei 2,4 Mikrometer Wellenlänge mit hoher Leistung erfordert.

Ziel der Physiker war es, die Frequenz der benötigten Strahlungs­quanten möglichst präzise zu messen. In ihren Experimenten erzielten sie eine bisher unerreichte Mess­genauigkeit. Ihre Messungen ergaben einen Frequenzwert, der mit den theo­retischen Vorhersagen übereinstimmt. Wesentlich war dabei, dass die Physiker die zu untersuchenden Moleküle in einer Falle speicherten, in der sie ein weiterer Laser auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts kühlt. Die genaue Messung der Rotations- und Schwingungs­energie von H₂⁺ im Zusammenspiel mit ihrer theoretischen Berechnung hat auch eine funda­mentalere Anwendungs­möglichkeit: Durch sie können die grund­legenden physikalische Gesetze getestet werden, die für die Wechselwirkung zwischen Teilchen verantwortlich sind. Denn auf diesen Gesetzen fußt die theo­retische Berechnung der Energien.

Darüber hinaus hängen die Energien von H₂⁺ von funda­mentalen Konstanten der Physik ab, etwa vom Massen­verhältnis von Proton zu Elektron. Eine sorgfältige Messung der Energien ermöglicht es daher, die physikalischen Konstanten zu bestimmen. Dies ist nun mit Hilfe der Laserspektroskopie gelungen. Das Massenverhältnis wurde mit einer relativen Genauigkeit von 3×10^-8 bestimmt. Zwar ist das nicht so genau wie mit alter­nativen Methoden, aber die erfolgte Messung ist nur der erste Schritt.

In der Zukunft wollen die Physiker ihre Messergebnisse noch weiter verbessern. „Wir haben das Potenzial unseres Ansatzes mit einem ‚Cousin‘ von H₂⁺ getestet, dem Molekül HD⁺, mit dem wir viel schneller vorgehen können“, sagt Alighanbari. Bei HD⁺ ist ein Proton durch ein Deuteron ersetzt ist, was das Molekül spektroskopisch leichter zugänglich macht. Alighanbari weiter: „Mit unserer Apparatur können wir tatsächlich noch präzisere Messungen durchführen, was wir demnächst mit H₂⁺ erneut versuchen wollen.“

Über die ultra­präzise Spektroskopie von Schwingungs­übergängen in H₂⁺ eröffnet sich darüber hinaus eine noch weit­reichendere Perspektive, um die grundlegenden Grenzen der Physik zu erforschen. „Unser aktuelles Ergebnis ist der allererste Schritt hin zu einem präzisen Vergleich des Verhaltens von Materie und von Antimaterie: Wir würden H₂⁺ und sein Antimaterie-Gegenstück spektro­skopieren und so nach winzigen, möglicher­weise existierenden Differenzen in deren Schwingungs­energien suchen. Solche Messungen können von Bedeutung sein, um zu verstehen, warum unser Universum voller Materie ist, aber kaum Antimaterie enthält“, sagt Schiller.

HHU / JOL