Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen

Die Arbeitsgruppe um Prof. Stephan Schiller Ph.D. von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen. Den Wellencharakter der Bewegung von Atomkernen konnten sie dabei mit bisher unerreichter Genauigkeit überprüfen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics vor.

Vor nahezu 100 Jahren fand in der Physik eine revolutionäre Entdeckung statt: Mikroskopische Materie weist Eigenschaften von Wellen auf. Im Laufe der Jahrzehnte wurde mit immer präziseren Experimenten insbesondere die Welleneigenschaft des Elektrons vermessen. Dazu wurde vor allem die spektroskopische Untersuchung des Wasserstoffatoms herangezogen. So konnte überprüft werden, wie genau die Quantentheorie des Elektrons stimmt.

Für schwere Elementarteilchen – zum Beispiel Protonen – und Nuklide (Atomkerne) ist eine genaue Vermessung ihrer Welleneigenschaften schwierig. Im Prinzip sind diese allerdings allgegenwärtig: In Molekülen sind die Welleneigenschaften von Atomkernen offensichtlich realisiert, und zwar in den inneren Schwingungen der Atomkerne gegeneinander. Dies ermöglichen die Elektronen in Molekülen, die eine Bindung zwischen den Kernen verursachen, die aber nicht starr, sondern „weich“ ist. Kernschwingungen treten zum Beispiel in jedem Molekülgas unter Normalbedingungen auf, wie in Luft.

Die Welleneigenschaften der Kerne äußern sich, indem die Schwingung nicht eine beliebige Stärke – sprich Energie – aufweisen kann, wie es etwa bei einem Pendel der Fall wäre. Vielmehr sind nur präzise diskrete, sogenannte quantisierte Werte für die Energie möglich.

Ein Quantensprung vom Schwingungszustand geringster Energie zu einem Zustand größerer Energie kann erfolgen, indem auf das Molekül Licht eingestrahlt wird, dessen Wellenlänge präzise so eingestellt ist, dass sie genau dem Energieunterschied zwischen beiden Zuständen entspricht.

Möchte man die Welleneigenschaften der Nuklide sehr genau überprüfen, benötigt man sowohl eine sehr präzise Messmethode als auch eine sehr genaue Kenntnis der Bindungskräfte im konkreten Molekül, denn diese bestimmen die Details der Wellenbewegung der Nuklide. Hiermit wird es dann auch möglich, fundamentale Naturgesetze zu testen, indem man ihre konkreten Aussagen für das untersuchte Nuklid mit den Messergebnissen vergleicht.

Eine Herausforderung: Es ist es heute noch nicht möglich, für die Bindungskräfte von Molekülen im Allgemeinen präzise theoretische Vorhersagen zu treffen – die anzuwendende Quantentheorie ist mathematisch zu komplex. Daher ist eine präzise Überprüfung der Welleneigenschaften in einem beliebigen Molekül nicht möglich. Nur bei besonders einfachen Molekülen kann dies gelingen.

Genau einem solchen Molekül – dem Wasserstoffmolekülion HD+ – widmet sich Prof. Schillers Forschungsteam am Institut für Experimentalphysik der HHU, zusammen mit seinem langjährigen Kooperationspartner V. I. Korobov vom Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics am Joint Institute for Nuclear Research im russischen Dubna. HD+ besteht aus einem Proton (p) und dem Nuklid Deuteron (d). Beide sind durch ein einziges Elektron aneinandergebunden. Die relative Einfachheit dieses Moleküls erlaubt es mittlerweile, extrem genaue theoretische Rechnungen durchzuführen. Dies gelang V.I. Korobov, der über zwanzig Jahre lang seine Rechnungen kontinuierlich verbesserte.

Für geladene Moleküle, etwa das Wasserstoffmolekülion, fehlte bis vor kurzem eine zugängliche und gleichzeitig hochpräzise Messtechnik. Das Team um Prof. Schiller hatte aber im letzten Jahr eine neuartige Spektroskopietechnik für die Untersuchung der Rotation von Molekülionen entwickelt. Dabei wurde sogenannte Terahertz-Strahlung eingesetzt, mit einer Wellenlänge von etwa 0,2 mm.

Das Team konnte nun zeigen, dass derselbe Ansatz auch für die Anregung von Molekülschwingungen mittels Strahlung mit 50-fach kürzerer Wellenlänge funktioniert. Dafür mussten sie einen besonders frequenzscharfen Laser entwickeln, der weltweit einmalig ist.

Sie wiesen nach, dass die erweiterte Spektroskopietechnik ein Auflösungsvermögen für die Strahlungswellenlänge für Schwingungsanregung besitzt, das 10.000-mal höher ist als bei bisherigen Techniken für Molekülionen. Auch systematische Störungen der Schwingungszustände der Molekülionen, etwa durch elektrische und magnetische Störfelder, konnten um den Faktor 400 unterdrückt werden.

Letztendlich zeigte sich, dass die Vorhersage der Quantentheorie bezüglich des Verhaltens der Atomkerne Proton und Deuteron mit einer relativen Ungenauigkeit von weniger als 3 Teilen auf 100 Milliarden Teilen mit dem Experiment übereinstimmt.

Setzt man allerdings voraus, dass die von V.I. Korobov getätigte Vorhersage auf der Basis der Quantentheorie vollständig ist, so kann man das Ergebnis des Experiments anders deuten: Als Bestimmung des Verhältnisses von Elektronenmasse zur Protonenmasse. Der abgeleitete Wert stimmt sehr gut mit den Werten überein, den Experimente anderer Arbeitsgruppen mit ganz anderen Messtechniken ermittelten.

Prof. Schiller betont: „Wir waren überrascht, wie gut das Experiment funktioniert hat. Und wir glauben, dass die von uns entwickelte Technik nicht nur für unser „spezielles“ Molekül einsetzbar ist, sondern viel breiter. Es wird spannend sein zu sehen, wie schnell die Technik von anderen Arbeitsgruppen übernommen werden wird.“

Originalpublikation:

I. V. Kortunov, S. Alighanbari, M. G. Hansen, G. S. Giri, V. I. Korobov & S. Schiller, Proton-electron mass ratio by high-resolution optical spectroscopy of ion ensembles in the resolved-carrier regime, Nature Physics 2021

DOI: 10.1038/s41567-020-01150-7

Weitere Informationen:

Pressemitteilung zu Publikation aus 2020:
https://www.hhu.de/die-hhu/presse-und-marketing/aktuelles/pressemeldungen-der-hh…