Einfachstes Molekül gefangen und angeregt

Das einfachste denkbare Molekül H2+ zählt zu den ersten Molekülen überhaupt im Kosmos. Dies macht es bedeutend für die Astrophysik, aber auch zum wichtigen Forschungsobjekt für die Fundamentalphysik. Experimentell ist es schwer zugänglich. Einem Physikerteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) gelang es nun erstmals, die Schwingungen des Moleküls mit einem Laser zu vermessen. Das Ergebnis stimmt mit hoher Genauigkeit mit der theoretischen Vorhersage überein, wie die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Physics erläutern.

H2+ ist eines der ersten Moleküle, die nach dem Urknall entstanden. Denn es besteht aus den grundlegendsten Bausteinen, die sehr früh im Universum gebildet wurden: zwei Wasserstoffkernen (den Protonen) und einem Elektron. Das Elektron bindet die beiden Protonen zu einem Molekül. Im Zusammenspiel von Teilchenbewegungen und Kräften können die beiden Protonen schwingen und rotieren.

Trotz oder gerade wegen seiner relativen Einfachheit blieb H2+ bislang relativ unerforscht. Denn aufgrund der gleichen Ladung und Masse der beiden Atomkerne absorbiert und emittiert das Molekül fast keine sichtbare und infrarote Strahlung. Entsprechend kann es fast nicht mit Teleskopen beobachtet werden, so dass Astronomen H2+ nur sehr schwer im Universum aufspüren und erforschen können.

Bild 2: Ablauf der Spektroskopie. Ausführliche Bildunterschrift s. Text. (c) HHU / Magnus Roman Schenkel

Die verschiedenen Schwingungs- und Rotationszustände des Moleküls entsprechen bestimmten Anregungsenergien. Wechselt ein Molekül zwischen zwei solcher Zustände, absorbiert bzw. emittiert es einen charakteristischen Energiebetrag, ein Photon. Dies ist ein Quantum elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Frequenz. In früheren Laborexperimenten wurden diese Energieunterschiede zwischen bestimmten Schwingungs- und Rotationszuständen von H2+ meist indirekt gemessen. In keinem dieser Experimente kamen Laser zum Einsatz.

Post-Doktorand Dr. Soroosh Alighanbari, Doktorand Magnus Schenkel und Prof. Stephan Schiller Ph.D. vom Institut für Experimentalphysik der HHU haben nun erstmals direkt untersucht, wie das H2+-Molekül mit Hilfe von Laserlicht zu Rotationen und Schwingungen angeregt werden kann. Magnus Schenkel entwickelte ein weltweit einzigartiges Lasersystem, mit dem der Übergang zwischen verschiedenen Rotations-Schwingungszuständen angeregt werden kann. Das Lasersystem ist besonders anspruchsvoll, da es monochromatische – also sehr frequenzscharfe – Laserstrahlung im Infrarotbereich bei 2,4 Mikrometer Wellenlänge mit hoher Leistung erfordert.

Ziel der Düsseldorfer Physiker war es, die Frequenz der benötigten Strahlungsquanten möglichst präzise zu messen. In ihren Experimenten erzielten sie eine bisher unerreichte Messgenauigkeit. Ihre Messungen, die sie in Nature Physics ausführlich beschreiben, ergaben einen Frequenzwert, der mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Wesentlich war dabei, dass die Physiker die zu untersuchenden Moleküle in einer Falle speicherten, in der sie ein weiterer Laser auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts kühlt.

Die genaue Messung der Rotations- und Schwingungsenergie von H2+ im Zusammenspiel mit ihrer theoretischen Berechnung hat auch eine fundamentalere Anwendungsmöglichkeit: Durch sie können die grundlegenden physikalische Gesetze getestet werden, die für die Wechselwirkung zwischen Teilchen verantwortlich sind. Denn auf diesen Gesetzen fußt die theoretische Berechnung der Energien.

Darüber hinaus hängen die Energien von H2+ von fundamentalen Konstanten der Physik ab, etwa vom Massenverhältnis von Proton zu Elektron. Eine sorgfältige Messung der Energien ermöglicht es daher, die physikalischen Konstanten zu bestimmen. Dies ist nun dem Team um Prof. Schiller mit Hilfe der Laserspektroskopie gelungen. Das Massenverhältnis wurde mit einer relativen Genauigkeit Unsicherheit von 3×10-8 bestimmt. Zwar ist das nicht so genau wie mit alternativen Methoden, aber die erfolgte Messung ist nur der erste Schritt.

In der Zukunft wollen die Physiker ihre Messergebnisse noch weiter verbessern. Dazu Dr. Alighanbari, einer der Autoren der Studie: „Wir haben das Potenzial unseres Ansatzes mit einem ‚Cousin‘ von H2+ getestet, dem Molekül HD+, mit dem wir viel schneller vorgehen können.“ Bei HD+ ist ein Proton durch ein Deuteron ersetzt ist, was das Molekül spektroskopisch leichter zugänglich macht. Alighanbari weiter: „Mit unserer Apparatur können wir tatsächlich noch präzisere Messungen durchführen, was wir demnächst mit H2+ erneut versuchen wollen.“

Über die ultrapräzise Spektroskopie von Schwingungsübergängen in H2+ eröffnet sich darüber hinaus eine noch weitreichendere Perspektive, um die grundlegenden Grenzen der Physik zu erforschen. Prof. Schiller: „Unser aktuelles Ergebnis ist der allererste Schritt hin zu einem präzisen Vergleich des Verhaltens von Materie und von Antimaterie: Wir würden H2+ und sein Antimaterie-Gegenstück spektroskopieren und so nach winzigen, möglicherweise existierenden Differenzen in deren Schwingungsenergien suchen. Solche Messungen können von Bedeutung sein, um zu verstehen, warum unser Universum voller Materie ist, aber kaum Antimaterie enthält.“

Hintergrund: Warum es so schwierig ist, H2+ zu spektroskopieren

Der Unterschied zwischen HD+ und H2+ besteht darin, dass HD+ ein elektrisches Dipolmoment besitzt, welches H2+ fehlt. Für die Spektroskopie von H2+ nutzte die Düsseldorfer Arbeitsgruppe daher Übergänge mit elektrischem Quadrupolmoment. Deren Übergangsrate ist im Vergleich zu Übergängen mit elektrischem Dipolmoment sehr viel kleiner. Die Physiker lösten dies, indem sie den leistungsstarken Laser einsetzten.

Ausführliche Bildunterschrift zu Bild 2:
Ablauf der Spektroskopie: 1) Das H2+-Molekül befindet sich zunächst im Grundzustand, mit schwacher Schwingung. 2) Der Spektroskopielaser bestrahlt das Molekül. 3) Unter Absorption eines Photons wird die Kernschwingung weiter angeregt, ebenso die (durch Strichbögen angedeutete) Rotation. 4) Ein Lichtpuls eines zweiten Lasers wird eingestrahlt. Unter Absorption eines Photons wird das Molekül gespalten. 5) Dabei entstehen ein Wasserstoffatom und ein freies Proton. So sinkt die Zahl an gespeicherten Molekülen, was vermessen werden kann. Dies dient als Signal für die erfolgreiche Schwingungsanregung. (Abbildung: HHU / Magnus Roman Schenkel)

Originalpublikation:

Schenkel, M.R., Alighanbari, S. & Schiller, S.: Laser spectroscopy of a rovibrational transition in the molecular hydrogen ion. Nat. Phys. (2024).
DOI: 10.1038/s41567-023-02320-z

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