Moleküle in der Falle

Berliner Max-Planck-Forscher verwirklichen elektrodynamische Falle zur Untersuchung von Molekülen

Normalerweise kann man Moleküle nicht beobachten, denn sie bewegen sich viel zu schnell. In den vergangenen Jahren ist es zwar bereits gelungen, so genannte niedrigfeldsuchende Moleküle mit Hilfe von optischen, magnetischen oder elektrischen Feldern einzufangen und zu analysieren, doch existiert ein weiterer Grundzustand, der hochfeldsuchende, in dem sich Moleküle bisher jedem Versuch, sie einzufangen, entziehen konnten. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben nun gemeinsam mit Kollegen des FOM-Instituts für Plasmaphysik Rijnhuizen in Nieuwegein (Niederlande) eine Falle konstruiert, in der man sogar solche Moleküle einfangen und detailliert untersuchen kann (Physical Review Letters, 4. März 2005). Das eröffnet neue Möglichkeiten vor allem für die Erforschung von Molekülen, wie biologischen Makromolekülen, die keinen niedrigfeldsuchenden Grundzustand besitzen.

Seit einiger Zeit suchen Wissenschaftler nach Methoden, um Moleküle abbremsen oder sogar zum Stillstand bringen und dadurch besser untersuchen zu können. Je langsamer die Moleküle sind, desto mehr Zeit hat man, sie zu analysieren. Einmal zum Stillstand gebracht, kann man Moleküle zusammenhalten, indem man sie in einer Falle speichert.

Dipolare Moleküle wie etwa Ammoniak lassen sich in einem elektrischen Feld fangen. Diese neutralen Moleküle, die auf einer Seite positiv und auf der anderen Seite negativ geladen sind, existieren in zwei energetischen Zuständen – hochfeldsuchend und niedrigfeldsuchend. Niedrigfeldsuchende Moleküle werden von einem Feld mit geringer elektrischer Feldstärke angezogen und können daher nur in einem Feldminimum gespeichert werden. Hochfeldsuchende Moleküle hingegen werden von einem starken elektrischen Feld angezogen – eine Falle für diese Moleküle müsste deshalb ein Feldmaximum an einer anderen Stelle als der unter Spannung stehenden Elektrode aufweisen, was grundsätzlich unmöglich ist. Die Moleküle würden also immer zu der Elektrode streben und können deshalb nicht gespeichert werden.

Dennoch will man ausgerechnet hochfeldsuchende Moleküle speichern, weil gerade sie für grundlegende Untersuchungen in der Molekülphysik interessant sind. Hinzu kommt, dass größere Moleküle, beispielsweise Biomoleküle, häufig gar keine niedrigfeldsuchenden Zustände besitzen und somit nicht eingefangen werden könnten.

Forschern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin ist es nun gemeinsam mit Kollegen vom FOM-Institut für Plasmaphysik Rijnhuizen in Nieuwegein (Niederlande) gelungen, hochfeldsuchende Moleküle in einer Falle zu halten. Dazu haben die Forscher eine komplizierte Apparatur entwickelt. Aus einer Kammer werden in rascher Folge Ammoniakmoleküle ausgestoßen. Eine Abbremsvorrichtung lässt nur die in gerader Linie auftreffenden kalten, also langsamen Moleküle passieren und reduziert deren Geschwindigkeit weiter. Dann werden die Moleküle mit Mikrowellen bestrahlt, bis sie sich im hochfeldsuchenden Zustand befinden.

Um nun diese Moleküle möglichst lange beobachten zu können, konstruierten die Wissenschaftler eine Wechselstromfalle, die ein elektrisches Feld erzeugt, das in zwei Richtungen über ein Maximum, in die dritte Richtung aber über ein Minimum verfügt. Ändert man die Spannungen, wird ein gegensätzliches Feld mit zwei Minima und einem Maximum erzeugt. Schaltet man nun beide Felder abwechselnd, bleiben die Moleküle auf der Suche nach dem hochenergetischen Feld in der Falle gefangen und können weiteren Untersuchungen unterzogen werden. Die Abbildung zeigt, wie die Ammoniakmoleküle von der rasch wechselnden Spannung in der Falle zusammengehalten werden.