Spektroskopie an einzelnen gefangenen Molekülen
Neue Methode der Zustandsdetektion für Molekülionen
Im Zuge der Entwicklung von optischen Frequenznormalen und Uhren wurden diverse Präparations- und Detektionstechniken an atomaren Systemen erfolgreich demonstriert, wie etwa das Laserkühlen zur Kontrolle der Bewegung und die Detektion von Quantenzuständen basierend auf zustandsabhängiger Fluoreszenz. Jedoch können die bei Atomen so erfolgreichen Verfahren der resonanten Lasermanipulation im Allgemeinen nicht auf Moleküle mit ihren zusätzlichen Freiheitsgraden der Rotation und Vibration und einer Vielzahl an möglichen Übergängen übertragen werden.
PTB Forschern ist es gelungen, einen ausgewählten Quantenzustand eines gefangenen Molekülions (MgH+) über die starke elektrostatische Wechselwirkung mit einem gleichzeitig gefangenen atomaren Ion (Mg+) zerstörungsfrei auszulesen. Dazu wird die Bewegung der beiden Ionen entlang einer Richtung über das atomare Ion mit Lasern bis in den Grundzustand gekühlt. Ein weiterer Laser wird so abgestimmt, dass er nur dann eine oszillierende optische Kraft (ähnlich der einer optischen Pinzette) auf das molekulare Ion ausübt, wenn dieses sich in einem ausgewählten Zustand der Rotation befindet. Die Schwingungsfre-quenz der Kraft ist auf die Periode einer gemeinsamen Schwingung der beiden Ionen in der Falle abgestimmt, welche dadurch resonant verstärkt wird. Nur wenn das Molekülion sich im ausgesuchten Zustand befindet, wird der Bewegungszustand der beiden Ionen angeregt. Über das atomare Ion kann diese Bewegungs-anregung ausgelesen werden. Die ther-mische Strahlung der Umgebung wechselwirkt mit den Rotationszuständen des Molekülions und induziert Übergänge zwischen ihnen. Diese Quantensprünge des Rotationszustands des Moleküls konnten "live" beobachtet werden.
Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Abhängigkeit der optischen Kraft von der Verstimmung des Lasers bezüglich einer Resonanz im Molekülion für eine neue Form der Spektroskopie genutzt werden kann. In Verbindung mit effizienten Zustandspräparationsverfahren ermöglicht die demonstrierte Zustandsdetektion Präzisionsspektroskopie an schmalbandigen Übergängen für molekulare optische Uhren und Tests fundamentaler Physik, wie z. B. einer möglichen Änderung von Naturkonstanten. Weiterhin sind Anwendungen der Methode in der Quantenchemie und für die Interpretation von Spektren kalter Molekülionen im Weltraum denkbar.
Ansprechpartner
Piet O. Schmidt
QUEST-Institut in der PTB
Telefon (0531) 592-4700
piet.schmidt(at)quantummetrology.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
F. Wolf, Y. Wan., J.C. Heip, F. Gebert, Ch. Shi, P.O. Schmidt: Non-destructive state detection for quantum logic spectroscopy of molecular ions. Nature (2016), Doi:10.1038 nature 16513