Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Direkte Abbildung von Riesenmolekülen

24.05.2019

Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnten riesige zweiatomige Moleküle erzeugen und mit einem hochaufgelösten Mikroskop direkt abbilden.

Die optische Auflösung einzelner Konstituenten herkömmlicher Moleküle ist aufgrund der kleinen Bindungslänge im Sub-Nanometerbereich bisher nicht möglich. Physikern unter Leitung von Prof. Immanuel Bloch, Direktor der Abteilung Quantenvielteilchensysteme am MPQ, ist es nun jedoch gelungen, Paare hochangeregter Atome auf dem Abstand eines Mikrometers zu binden.


Das Bild zeigt eine künstlerische Interpretation des im Experiment verwendeten hoch-auflösenden Objektivs, welches benutzt wird um eine einzelne atomare Lage im optischen Gitter abzubilden.

Christoph Hohmann (MCQST)

Die große Bindungslänge — vergleichbar mit kleinen biologischen Zellen wie etwa dem E. coli Bakterium — ermöglicht die mikroskopische Untersuchung der zugrundeliegenden Bindungsstruktur durch die direkte optische Auflösung der beiden gebundenen Atome.

Molekulare Bindungen experimentell zu untersuchen und theoretisch zu beschreiben ist sehr komplex, da sie sehr klein sind und die beteiligten Elektronen immer miteinander wechselwirken.

Bereits die Struktur von Atomen, den Grundbausteinen chemischer Bindungen, kann aufgrund der Wechselwirkung der beteiligten Elektronen nur noch näherungsweise berechnet werden. Nur das Wasserstoffatom - das erste und einfachste Element im Periodensystem, das nur aus einem Proton und einem Elektron aufgebaut ist - lässt sich analytisch berechnen.

Gehen Atome schließlich Bindungen ein, verkompliziert sich die Lage weiter. Da Atome in unserer Umwelt fast ausschließlich gebunden auftreten, sind es jedoch gerade die Eigenschaften molekularer Bindungen, die die beobachtbaren Eigenschaften unserer materiellen Umgebung beschreiben.

Atome mit einem Elektron in einem hoch angeregten Bindungszustand - sogenannte Rydbergatome - übertragen die einfache Struktur des Wasserstoffatoms auf komplexere Atome, weil das einzelne angeregte Elektron sehr weit vom Atomkern und den anderen Elektronen entfernt ist.

Rydbergatome sind in den letzten Jahren außerdem aufgrund ihrer starken Wechselwirkungen untereinander in den Fokus der Forschung gerückt, die selbst auf Abständen mehrerer Mikrometer messbar sind und bereits Anwendungen im Bereich der Quantensimulation und des Quantencomputing finden.

Das Team um Immanuel Bloch und Christian Groß konnte diese Wechselwirkung nun nutzen, um mit Laserlicht gebundene Zustände aus zwei Rydbergatome anzuregen.

”Die spektroskopisch aufgelösten Vibrationszustände der resultierenden Moleküle sind dank der vergleichsweise einfachen Theorie der Physik der Rydbergatome in quantitativer Übereinstimmung mit den theoretisch berechneten Werten. Die große Bindungslänge erlaubt außerdem einen direkten mikroskopischen Zugang zur Bindungslänge und der Orientierung der angeregten Moleküle”, sagt Simon Hollerith, Doktorand und Erstautor der Studie.

Im Experiment starteten die Physiker mit einem zweidimensionalem Atomgitter mit einem Gitterabstand von 0.53 µm, in dem jeder Gitterplatz mit genau einem Atom besetzt ist. Das Gitter wird hierbei mithilfe einer Überlagerung von Laserstrahlen erzeugt und hält die anfänglichen Grundzustandsatome fest.

Da die erzeugten Moleküle vom Gitter abgestoßen werden, lässt eine Molekülanregung zwei leere Gitterplätze im Abstand der Bindungslänge - in diesem Fall der Abstand einer Gitterdiagonalen – zurück. Anschließend wird die verbleibende Atombesetzung des Gitters mit einem hoch auflösenden Objektiv optisch detektiert und Moleküle als korreliert unbesetzt auftretende Gitterplätze identifiziert.

Mithilfe dieser mikroskopischen Detektionsmethode konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die angeregten Moleküle der unterschiedlichen Resonanzlinien jeweils abwechselnd vermehrt parallel und senkrecht zur Polarisation des anregenden Laserlichtes orientiert sind. Der Grund hierfür ist ein ebenfalls von der Theorie vorhergesagter Interferenzeffekt, der sowohl auf der elektronischen Struktur des Moleküls als auch dem Vibrationsfreiheitsgrad des Moleküls beruht.

Das Team am MPQ plant nun, die neu entdeckten Molekülresonanzlinien zur Quantensimulation von Vielteilchensystemen zu verwenden. Die gebundenen Zustände zweier Rydbergatome können dabei zu einer Überhöhung der Wechselwirkungsstärke auf dem Abstand der Bindungslänge führen. Die Studie, die am 17. Mai in Science erschienen ist, wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie mehrere EU Projekte, darunter auch das EU-Flagschiff zu Quantentechnologien im Rahmen des Projektes PASQUANS, gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Simon Hollerith
Doktorand
Quantenvielteilchensysteme
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel: 089 32905 218
E-Mail: simon.hollerith@mpq.mpg.de

Christian Groß
Forschungsgruppenleiter
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching
Tel: 089 32905 713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de

Originalpublikation:

S. Hollerith, J. Zeiher, J. Rui, A. Rubio-Abadal, V. Walther, T. Pohl, D. M. Stamper-Kurn, I. Bloch, C. Gross, Quantum gas microscopy of Rydberg macrodimers, Science, Vol. 364, 6441, pp. 664-667, 17th of May 2019.
DOI: 10.1126/science.aaw4150

Katharina Jarrah | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neutronenforschung: Magnetische Monopole in Kagome-Spin-Eis-Systemen nachgewiesen
08.04.2020 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Quantenphysik: Dispersion der „Bethe Strings” experimentell beobachtet
08.04.2020 | Universität zu Köln

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: Innovative Technologien für Satelliten

Er kommt ohne Verkabelung aus und seine tragende Struktur ist gleichzeitig ein Akku: An einem derart raffiniert gebauten Kleinsatelliten arbeiten Forschungsteams aus Braunschweig und Würzburg. Für 2023 ist das Testen des Kleinsatelliten im Orbit geplant.

Manche Satelliten sind nur wenig größer als eine Milchtüte. Dieser Bautypus soll jetzt eine weiter vereinfachte Architektur bekommen und dadurch noch leichter...

Im Focus: The human body as an electrical conductor, a new method of wireless power transfer

Published by Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesus Minguillon and Antoni Ivorra, in Access, the journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers

The project Electronic AXONs: wireless microstimulators based on electronic rectification of epidermically applied currents (eAXON, 2017-2022), funded by a...

Im Focus: Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Jetzt veröffentlicht das renommierte Journal Physical Review Letters die ersten Resultate des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit der Dunklen Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der...

Im Focus: Belle II yields the first results: In search of the Z′ boson

The Belle II experiment has been collecting data from physical measurements for about one year. After several years of rebuilding work, both the SuperKEKB electron–positron accelerator and the Belle II detector have been improved compared with their predecessors in order to achieve a 40-fold higher data rate.

Scientists at 12 institutes in Germany are involved in constructing and operating the detector, developing evaluation algorithms, and analyzing the data.

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Innovative Technologien für Satelliten

08.04.2020 | Informationstechnologie

Synthetisches Gas statt fossile Energie

08.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Quantenphysik: Dispersion der „Bethe Strings” experimentell beobachtet

08.04.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics