Gebremste Moleküle

Mit elektrischen Feldern fangen Berliner Wissenschaftler polare Kohlenmonoxid-Moleküle ein - Prototyp für chemisches Gas-Labor auf einem Chip

Berlin – Einzelne Atome lassen sich mit Laserpulsen bereits gezielt abbremsen. Moleküle dagegen lassen sich mit Lichtsignalen nicht einfangen. Doch das Kunststück einer Molekülfalle gelang nun Berliner Wissenschaftlern mit elektrischen Wechselfeldern. Sie konstruierten einen Chip, mit dem sie polare und angeregte Kohlenmonoxid-Moleküle in einem Überschall-Gasstrahl nach und nach abbremsen konnten. Diese Entwicklung, die zur Analyse chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene und zur Untersuchung von Quantenzuständen geeignet ist, präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

Abb.: Sam Meek hat die Molekülfalle auf einem Chip konstruiert (oben). Sie besteht aus 1240 Gold-Elektroden, die in dem Schema rechts als gelbe Streifen dargestellt sind. Die Elektroden sind 10 Mikrometer breit, vier Millimeter lang und liegen mit einem Abstand von 40 Mikrometern auf dem Chip. Mithilfe sechs verschiedener Spannungen erzeugen Meek und seine Kollegen im Abstand von 120 Mikrometern zylindrische Potenzialminima (blau), in denen sie Moleküle fangen. (Bild: Fritz-Haber-Institut der MPG)

"Bisher konnten Moleküle nicht kontrolliert auf einem Chip eingefangen werden", sagt Samuel Meek, Hauptautor der Studie vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck Gesellschaft in Berlin. Mit seinen Kollegen konstruierte er daher eine Molekülfalle, die aus 1254 Goldelektroden auf einer dünnen Glasplatte besteht. Jede Elektrode ist nur vier Millimeter lang und zehn Mikrometer breit. An die Elektroden legten sie sechs verschiedene Wechselspannungen an, um im Abstand von je einem Zehntel Millimeter zylindrische Potenzialminima parallel zu den Elektroden aufzubauen. An diesen Chip vorbei ließen sie einen Kohlenmonoxid-Gasstrahl mit einer Überschallgeschwindigkeit von 325 Metern pro Sekunde vorbeiströmen.

Wegen ihres elektrischen Dipolmoments können jeweils zehn der Moleküle in die Potenzialminima wie in einer Falle eingefangen werden. "Über die Frequenzen der Wechselspannung an den Elektroden steuern wir, wie schnell sich die Potenzialminima über den Chip bewegen", erklärt Meek. Zu Beginn entsprechen die Frequenzen der Überschallgeschwindigkeit. Doch danach können die Frequenzen so angepasst werden, um die Moleküle nach und nach bis zum Stillstand abzubremsen. In diesem Zustand können sie für wenige Mikrosekunden fest gehalten werden. Danach lassen sich die Moleküle wieder kontrolliert beschleunigen. Nach einer Flugzeitfokussierung prallen sie auf einen Detektor und können so nachgewiesen werden.

Bisher funktionieren diese Molekülfallen nur mit angeregten Kohlenmonoxid-Molekülen. Doch Meek und Kollegen arbeiten bereits daran, sowohl mehr Moleküle im Grundzustand als auch andere polare Substanzen für einen längeren Zeitraum von einfangen zu können. Versuche mit Wasser und Ammoniakgas sind vorgesehen. Damit locken Gaslabore in Chipgröße, mit denen chemische Reaktionen im Molekülmaßstab analysiert werden können. Denn die Forscher wollenin der Mikrofalle auch Stöße verschiedener Moleküle untersuchen. Dazu müssten sie Gemische von Molekülen in die Falle jagen oder mehrere, verschiedene Gasströme parallel einfangen.

Die Erwartungen gehen sogar noch weiter. "Wir hoffen, dass wir dabei Quanteneffekte beobachten können, die bislang experimentell kaum nachweisbar waren", sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Gerard Meijer. In Zukunft hält Meijer sogar eine Anwendung der Molekülfallen für die Entwicklung von Quantencomputer für möglich. Denn auf einem Chip gespeicherte polare Moleküle könnten als Quantenbits dienen und Rechnungen ausführen, indem sie miteinander wechselwirken. "Davon sind wir natürlich noch weit entfernt", so Meijer.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos:

• S.A. Meek et al., Trapping Molecules on a Chip, Science, Vol. 324, 1699 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1175975
• Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft:
  http://www.fhi-berlin.mpg.de/ 
• Abteilung Molekülphysik:
  http://w3.rz-berlin.mpg.de/mp/AG_Conrad/Main/HomePage
  

Weiterführende Literatur:

• J. Fortágh, C. Zimmermann: Magnetic microtraps for ultracold atoms. Rev. Mod. Phys. 79, 235 (2007)
  http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.79.235
• S. Y. T. van de Meerakker, H. L. Bethlem, G. Meijer: Taming molecular beams. Nature Physics 4, 595 - 602 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys1031

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