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 Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

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: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie