Erkundung von verbotenen Übergängen
Molekülspektroskopie eröffnet präzise Kontrolle und Untersuchung von quantenmechanischen Zuständen.
Die Spektroskopie, die Wechselwirkung von Materie mit Licht, ist die wohl wichtigste Methode, um die Eigenschaften von Molekülen zu untersuchen. Moleküle können dabei nur Licht bei wohldefinierten Wellenlängen absorbieren, die genau der Differenz zwischen zwei quantenmechanischen Energiezuständen entsprechen. Man spricht dabei von spektroskopischen Übergängen. Aus der Analyse der Wellenlänge und der Intensität der Übergänge lassen sich Informationen über die chemische Struktur und über die molekulare Bewegung wie Drehungen oder Schwingungen gewinnen.
Abb.: Simulation der räumlichen Verteilung von einzelnen Stickstoff-Ionen (grün) im Inneren eines Coulomb-Kristalls von lasergekühlten Calcium-Ionen (blau). (Bild: U. Basel, Departement Chemie)
In bestimmten Fällen ist der Übergang zwischen zwei Energiezuständen jedoch nicht erlaubt. Dieses Verbot ist jedoch nicht kategorisch, sodass sich verbotene Übergänge mit einer extrem empfindlichen Messmethode trotzdem beobachten lassen. Die entsprechenden Spektren sind sehr schwach, können aber auch sehr genau vermessen werden. Sie geben Aufschluss über molekulare Eigenschaften mit einer Präzision, die mit erlaubten Spektren nicht erreichbar wäre.
Eine Forschungsgruppe um Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel hat im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts „QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie" Methoden etabliert, mit denen Moleküle gezielt auf Quantenebene manipuliert und untersucht werden können.
In der vorliegenden Arbeit haben die Wissenschaftler dabei einzelne Stickstoff-Ionen in einem wohldefinierten molekularen Energiezustand erzeugt. Diese wurden dann in einer Ultrahochvakuum-Kammer in eine Anordnung von ultrakalten, lasergekühlten Calcium-Ionen, einen sogenannten Coulomb-Kristall, eingebracht. Dadurch kühlten sich die Molekül-Ionen auf wenige tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt ab und lokalisierten sich im Raum. In dieser isolierten, kalten Umgebung konnten die Moleküle über lange Zeiträume störungsfrei untersucht werden. Auf diese Weise gelang es den Forschern, mit einem intensiven Laser verbotene Übergänge im Infrarotbereich anzuregen und zu beobachten.
Die Methode weist den Weg zu neuen Anwendungen wie zum Beispiel der hochgenauen Vermessung molekularer Eigenschaften, der Entwicklung extrem präziserer Uhren auf Basis einzelner Moleküle oder der Quanteninformationsverarbeitung mit Molekülen. Sie eröffnet auch Möglichkeiten, fundamentale Fragestellungen mithilfe spektroskopischer Präzisionsmessungen an Molekülen aufzugreifen, die bisher eine Domäne der Hochenergiephysik waren, wie zum Beispiel die Frage, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind.
U. Basel / PH
