Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein tiefer Blick ins einzelne Molekül

09.02.2016

Weltweit erstmals hat eine Forschergruppe den Rotationszustand eines einzelnen Moleküls zerstörungsfrei gemessen. Piet Schmidt und seine Kollegen vom QUEST-Institut in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) verfolgten die Veränderung des Rotationszustandes eines gefangenen und indirekt lasergekühlten Molekülions – und zwar live, also direkt während des Geschehens. Dies ermöglicht eine neue Methode der Präzisionsspektroskopie mit Anwendungen, die von der Chemie bis hin zu Tests fundamentaler Physik reichen. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von „Nature“ veröffentlicht.

Quantenzustand erstmals live und zerstörungsfrei gemessen


Konzeptioneller Aufbau des Experiments: MgH+(orange) und Mg+ (grün) sind gemeinsam in einer linearen Ionenfalle gefangen. Der Ionenkristall wird über Mg+ in den Grundzustand gekühlt. Eine oszillierende Dipolkraft ändert den Bewegungszustand abhängig vom Rotationszustand von MgH+. Dies wird über Mg+ ausgelesen. (Abb.: PTB)


Typisches Detektionssignal, in dem ein Quantensprung in den (J = 1)-Rotationszustand (Sprung vom roten zum blauen Bereich) des Moleküls und aus ihm heraus (blau nach rot) zu sehen ist. (Abb.: PTB)

Atome können heutzutage mithilfe von Lasern manipuliert und mit höchster Genauigkeit untersucht werden, z. B. in optischen Uhren. Dabei kommt der Messung des Quantenzustands eine zentrale Rolle zu: Leuchtet das Atom bei Bestrahlung mit einem Laser, kennt man seinen Zustand.

Viele Atome und die meisten Moleküle können jedoch gar nicht leuchten. Zur Detektion von Molekülen hat man in der Vergangenheit daher ausgenutzt, dass sich diese – abhängig von ihrem Quantenzustand – bei Bestrahlung mit speziellem Laserlicht in ihre atomaren Bestandteile zerlegen. Durch die Zerstörung des Moleküls kann so der Quantenzustand nachgewiesen werden - allerdings nur einmal pro Molekül.

Projektleiter Piet Schmidt hat viel Erfahrung dabei, das Problem der Zustandsdetektion zu lösen. Er war in der Arbeitsgruppe von Nobelpreisträger David Wineland an der Entwicklung der Quantenlogikspektroskopie beteiligt und baute sie selber zur Photonen-Rückstoß-Spektroskopie aus. Bei diesen neuen Spektroskopie-Methoden ist das Prinzip immer dasselbe: Man stellt dem zu messenden Teilchen ein zweites zur Seite, das man gut manipulieren und detektieren kann.

Durch die elektrische Abstoßung sind die beiden gefangenen Ionen wie mit einer starken Feder verbunden, sodass sie alle Bewegungen synchron ausführen. So kann man an einem Teilchen messen, um die Eigenschaften des anderen Teilchens zu ermitteln. Konkret verwenden Schmidt und Kollegen ein molekulares MgH+-Ion (das sie untersuchen wollen) und ein atomares Mg+-Ion (an dem sie die Messungen durchführen).

Sie fangen die beiden einzelnen Teilchen in einer Ionenfalle zwischen elektrischen Feldern ein. Dann kühlen sie sie mithilfe von Lasern bis in den Grundzustand, in dem die synchrone Schwingung der beiden Teilchen fast zum Stillstand kommt.

Was jetzt folgt, ist neu: Um herauszufinden, in welchem quantenmechanischen Rotationszustand sich das Molekül gerade befindet, benutzen die Wissenschaftler einen weiteren Laser, der einer optischen Pinzette ähnelt. Mit diesem können Kräfte auf das Molekül ausgeübt werden.

„Der Laser rüttelt an dem Molekül, aber nur dann, wenn es sich gerade in einem ganz bestimmten Rotationszustand befindet“, erläutert Fabian Wolf, Physiker in der Gruppe. „Die Wirkung – eine Anregung der gemeinsamen Bewegung von Molekül und Atom – können wir über das Atom mithilfe von weiteren Lasern nachweisen. Leuchtet das Atom, war das Molekül im ausgewählten Rotationszustand, ansonsten nicht.“

„Durch den zerstörungsfreien Nachweis konnten wir live beobachten, wie das Molekül von der Wärmestrahlung in den Rotationszustand gebracht wird und wann es von diesem in einen anderen springt. Dies ist das erste Mal, dass solche Quantensprünge in einem isolierten Molekül direkt beobachtet werden konnten. Außerdem haben wir genauer als je zuvor die Übergangsfrequenz zu einem elektronisch angeregten Zustand gemessen“, betont Piet Schmidt. Er formuliert auch das weitere Ziel: „Wir wollen als nächstes jenen quantenmechanischen Zustand, der jetzt noch von der thermischen Umgebungsstrahlung quasi zufällig hergestellt wird, gezielt selber präparieren.“

Schon jetzt sind die Forscher aber sicher, dass ihre Entwicklung bei denjenigen Wissenschaftlerkollegen für Aufsehen sorgen wird, die eine solch präzise Spektroskopiemethode benötigen: etwa bei Chemikern, die mehr über das Innenleben von Molekülen herausfinden wollen, oder bei Astronomen, die über die Spektren von kalten Molekülen etwas über astrophysikalische Phänomene und die Entstehung des Universums lernen wollen. Oder bei jenen Physikern, die nach möglichen Änderungen von Naturkonstanten oder bislang verborgenen Eigenschaften von Elementarteilchen suchen, etwa nach einem möglichen Dipolmoment des Elektrons.

Diese Tests fundamentaler Physik waren auch für Schmidt die Motivation für die Entwicklung der neuen Detektionsmethode. „Um diese Anwendungen zu erschließen, müssen wir die optische Spektroskopie an Molekülionen auf ein Niveau heben, wie wir es bei optischen Uhren jetzt schon mit Atomen schaffen“, gibt Schmidt das Ziel vor. „Dazu müssen wir um viele Größenordnungen genauer messen, was vermutlich noch einige Jahre dauert.“
es/ptb

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Piet O. Schmidt
QUEST-Institut in der PTB
Telefon (0531) 592-4700
E-Mail: piet.schmidt@quantummetrology.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
F. Wolf, Y. Wan, J. C. Heip, F. Gebert, C. Shi, P. O. Schmidt: Non-destructive state detection for quantum logic spectroscopy of molecular ions. Nature (2016), DOI: 10.1038/nature16513

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinf... - ab 9.2.2016 unter diesem Link im PTB-Web zu finden

Dipl.-Journ. Erika Schow | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie