Neuartige Methode der Kraftspektroskopie mit hohem Anwendungspotential

Neue Methode der Kraftspektroskopie

Spektroskopische Untersuchungen liefern Informationen über die chemische Struktur von Molekülen und über molekulare Bewegungen wie Drehungen und Schwingungen. Die elektromagnetische Anregung zu untersuchender Moleküle geht jedoch häufig mit einer Änderung des Quantenzustands und der Zerstörung von chemischen Bindungen einher. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Stefan Willitsch von der Universität Basel hat nun eine neue spektroskopische Methode entwickelt, bei der ein einzelnes Molekül auf indirektem Weg untersucht wird, ohne dass es selbst dabei zerstört oder sein Quantenzustand geändert wird. Hierfür wird das Molekül – im Beispiel der Wissenschaftler ein geladenes Stickstoff-Molekül – zusammen mit einem geladenen Fremdatom (hier: ein Kalzium Kation) in einer Radiofrequenz-Falle eingefangen und bis nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt. Anschließend üben zwei gebündelte Laserstrahlen in Form eines optischen Gitters Kraft auf das Molekül aus. Eine Bewegung des Gitters führt dazu, dass das Molekül anfängt, in der Falle zu schwingen, und zwar umso mehr, je stärker die optische Kraft wirkt. Diese Bewegung überträgt sich auf das benachbarte Kalzium-Atom und kann dort detektiert werden. Diese neue Methode der Kraftspektroskopie ermöglicht somit die gleiche Informationsgewinnung wie bei gängigen Spektroskopiemethoden, allerdings kann die Messung beliebig oft an ein und demselben Molekül und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden. Aus der Sicht der Wissenschaftler ermöglicht die gesteigerte Präzision dieser neuartigen Messmethode zukünftig eine Vielzahl an potentiellen Anwendungsmöglichkeiten. In der Theorie könnte beispielsweise die tatsächliche Konstanz von Naturkonstanten hinterfragt werden. Als praktische Anwendungen wären der Bau einer extrem präzisen molekularen Uhr denkbar – oder der Einsatz von Molekülen als Bausteine eines Quantencomputers. Bild: Ein geladenes Stickstoffmolekül wird von einem Kalzium-Kation in einem optischen Gitter indirekt und ohne Änderung des Quantenzustands ausgelesen (Quelle: Universität Basel, Departement Chemie).