Molekülspektroskopie an der Grenze des Erlaubten

Atome und Moleküle können durch Wechselwirkung mit Licht von einem in einen anderen Quantenzustand übergehen. Aus fundamentalen Symmetrieüberlegungen sind jedoch Übergänge zwischen bestimmten Niveaus so unwahrscheinlich, dass man sogar von „verbotenen Übergängen“ spricht. Bei der spektroskopischen Untersuchung eines elektrisch geladenen Moleküls konnten Forscher um Matthias Germann von der Universität Basel dessen „verbotenes“ Infrarotspektrum beobachten und vermessen. Das Team veröffentlichte die Studie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Genau wie Atome, können Moleküle Licht nur in solchen wohldefinierten Wellenlängen absorbieren, die der Differenz zwischen den beiden quantenmechanischen Energiezuständen vor und nach dem Übergang entsprechen. Aus fundamentalen Gründen der Raumsymmetrie – der sogenannten Parität – folgt eine weitere Einschränkung: Den in der Atom- und Molekülphysik geläufigen Auswahlregeln zufolge, finden manche Übergänge wesentlich seltener statt als andere. Folglich ist auch die bei solchen verbotenen Übergängen ausgesandte Strahlung weniger intensiv. Andererseits folgt in diesem Fall aus der Heisenbergschen Unschärferelation, dass deren Energie umso präzisier definiert ist, je seltener der Übergang erfolgt. Die schwer messbaren, verbotenen Spektren geben also Aufschluss über molekulare Eigenschaften mit einer Präzision, die mit „erlaubten“ Spektrallinien nicht erreichbar wäre.

Konzentrische Ellipsen deren große Halbachse von einer gestrichelten Linie durchquert wird.
Vermessene Stickstoffmoleküle im Kalziumgitter

Zur Spektroskopie präparierten Germann und seine Kollegen zunächst ein Ensemble geladener Stickstoffmoleküle, die alle den gleichen Zustand besetzten. Diese wurden dann in einer Ultrahochvakuumkammer in eine Anordnung von ultrakalten, lasergekühlten Kalziumionen eingebracht. In dieser isolierten, kalten Umgebung konnten die Moleküle über lange Zeit störungsfrei untersucht werden. Mit einem intensiven Laser regten die Forscher verbotene Übergänge im Infrarotbereich an und konnten so die Absorptionsenergien vermessen.

Die Studie stellt eine Methode zur hochgenauen Vermessung molekularer Eigenschaften vor. In Zukunft könnten auf dieser Basis Moleküluhren entwickelt werden, die Atomuhren an Genauigkeit übertreffen, so die Autoren.