Moleküle im Kreisverkehr

  • 06. December 2013

Ionenfalle mit rotierenden elektrischen Feldern erlaubt es, polarisierte Moleküle präzisionsspektroskopisch zu untersuchen.

Sowohl für quantenphysikalische Experimenteals auch für kalte Chemie sind polare Moleküle sehr interessante Systeme. Die reichen inneren Strukturen solcher Moleküle lassen sich sowohl zum Test fundamentaler physikalischer Fragestellungen – wie etwa die Zeitsymmetrie verletzende Phänomene – als auch für die angewandte Forschung einsetzen. Nun sind ionisierte Moleküle zwar leicht in eine Falle zu locken, doch beschleunigen externe elektrische Felder sie schnell wieder aus einer solchen Ionenfalle heraus. Solche Felder sind jedoch nötig, will man beispielsweise die polaren Moleküle entlang ihrer Dipolachsen ausrichten.

Die farbig markierten Elektronen erzeugen das rotierende elektrische Feld, außen liegen Anti-Helmholtzspulen an (links). Dadurch bleiben die Moleküle in der Falle gefangen und führen nur kleine Kreisbewegungen aus. (rechts: Draufsicht)

Abb.: Die farbig markierten Elektronen erzeugen das rotierende elektrische Feld, außen liegen Anti-Helmholtzspulen an (links). Dadurch bleiben die Moleküle in der Falle gefangen und führen nur kleine Kreisbewegungen aus. (rechts: Draufsicht; Bild: H. Loh et al.)

Forscher des amerikanischen National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado haben deshalb eine Technik entwickelt, das polarisierende elektrische Feld so rotieren zu lassen, dass die Translation der Moleküle nur zu kleinen Kreisbahnen in der Ionenfalle führt, dass die Moleküle zugleich aber sämtlich entlang des äußeren Feldes polarisiert sind. Mit dieser Technik konnten die Forscher bereits erste Tests des elektrischen Dipolmoments des Elektrons vollführen, das auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen könnte, sollte es einen endlichen Wert besitzen. Mit zunehmender Präzision könnten solche Messungen Vorhersagen supersymmetrischer Theorien jenseits des Standardmodells überprüfbar machen.

Für ihr Experiment wählten die Forscher um Eric Cornell einfach ionisiertes HfF+ oder ThF+. Diese Moleküle schlossen sie in einer lineare Paul-Falle ein, die mit sechs alternierenden Elektroden arbeitet. Um das rotierende Feld zu erzeugen, ließen sie durch diese außer dem Fallen-Strom auch einen sinusförmigen, um je sechzig Grad phasenversetzten Strom laufen. Das so erzeugte Feld war stark und uniform genug, um allen Molekülen eine kreisförmige Mikrobewegung innerhalb der Falle aufzuzwingen und gleichzeitig polarisierend zu wirken.

Um das elektrische Dipolmoment des Elektrons, bzw. dessen obere Schranke, zu messen, wählten die Forscher den hierfür besonders geeigneten 3D1-Zustand, der sich durch die nötige Langlebigkeit auszeichnet und vier Paare von Stark-Niveaus aufweist. Die nötige Quantisierung erzielten die Forscher durch äußere Anti-Helmholtz-Spulen, die ein statisches magnetisches Feld in der Paul-Falle erzeugten.

Mit Hilfe von Ramsey-Spektroskopie untersuchten die Forscher den höchsten und den niedrigsten dieser Übergänge. Dabei konnten sie typische Zerfallskonstanten um 100 Mikrosekunden beobachten. Da die Dekohärenz hier hauptsächlich durch Wechselwirkungen zwischen Ionen hervorgerufen wurde, halten die Forscher auch längere Zeitkonstanten bis in den Bereich um eine Sekunde für möglich.

Noch erlaubt der Aufbau nur Messungen des elektrischen Dipolmoments des Elektrons, die grob drei Größenordnungen weniger präzise als andere aktuelle Experimente sind. Mit dezidierten Bemühungen hoffen die Forscher aber, diese Lücke schließen zu können. Aber auch für zahlreiche andere Präzisionsmessungen bietet sich ein solcher Aufbau an.

Dirk Eidemüller

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