Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.09.2014

Forschern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, das «verbotene» Infrarot-Spektrum eines geladenen Moleküls zu beobachten. Solche extrem schwache Spektren eröffnen neue Wege für die hochpräzise Vermessung molekularer Eigenschaften, für die Entwicklung molekularer Uhren und für die Quantentechnologie. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht.

Die Spektroskopie, die Wechselwirkung von Materie mit Licht, ist die wohl wichtigste Methode, um die Eigenschaften von Molekülen zu untersuchen. Moleküle können dabei nur Licht bei wohldefinierten Wellenlängen absorbieren, die genau der Differenz zwischen zwei quantenmechanischen Energiezuständen entsprechen. Man spricht dabei von spektroskopischen Übergängen. Aus der Analyse der Wellenlänge und der Intensität der Übergänge lassen sich Informationen über die chemische Struktur und über die molekulare Bewegung wie Drehungen oder Schwingungen gewinnen.

In bestimmten Fällen ist der Übergang zwischen zwei Energiezuständen jedoch nicht erlaubt, was als «verbotener» Übergang bezeichnet wird. Dieses Verbot ist jedoch nicht kategorisch, sodass verbotene Übergänge mit einer extrem empfindlichen Messmethode trotzdem beobachtet werden können. Die entsprechenden Spektren sind sehr schwach, können aber auch sehr genau vermessen werden. Sie geben Aufschluss über molekulare Eigenschaften mit einer Präzision, die mit erlaubten Spektren nicht erreichbar wäre.

Präzise Analyse molekularer Eigenschaften

Die Forschungsgruppe um Prof. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel hat im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» Methoden etabliert, mit denen Moleküle gezielt auf Quantenebene manipuliert und untersucht werden können.

In der vorliegenden Arbeit wurden dabei einzelne geladene Stickstoffmoleküle (Ionen) in einem wohldefinierten molekularen Energiezustand erzeugt. Diese wurden dann in einer Ultrahochvakuum-Kammer in eine Anordnung von ultrakalten, lasergekühlten Calcium-Ionen, einen sogenannten Coulomb-Kristall, eingebracht. Dadurch kühlten sich die Molekül-Ionen auf wenige tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt ab und lokalisierten sich im Raum. In dieser isolierten, kalten Umgebung konnten die Moleküle über lange Zeiträume störungsfrei untersucht werden. Auf diese Weise gelang es den Forschern, mit einem intensiven Laser verbotene Übergänge im Infrarotbereich anzuregen und zu beobachten.

Perspektive für neue Anwendungen

Die vorgestellte Methode weist den Weg zu neuen Anwendungen wie zum Beispiel der hochgenauen Vermessung molekularer Eigenschaften, der Entwicklung extrem präziserer Uhren auf Basis einzelner Moleküle oder der Quanteninformationsverarbeitung mit Molekülen. Sie eröffnet auch Möglichkeiten, fundamentale Fragestellungen mithilfe spektroskopischer Präzisionsmessungen an Molekülen aufzugreifen, die bisher eine Domäne der Hochenergiephysik waren, wie zum Beispiel die Frage, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind.

Originalbeitrag:
Matthias Germann, Xin Tong, Stefan Willitsch
Observation of electric-dipole-forbidden infrared transitions in cold molecular ions
Nature Physics, published online 21 September 2014 | doi: 10.1038/nphys3085

Externer Link: www.unibas.ch

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 19.09.2014

Regensburger Forscher erzielen einen Durchbruch in der Spinphysik

Wie gelingt es Vögeln, das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen? Eine mögliche Antwort auf diese lang umstrittene Frage bietet nun ein einfaches Modell, das auf den aus Handydisplays bekannten organischen Leuchtdioden (OLEDs) basiert. Ein Forscherteam von der Universität Regensburg und der University of Utah (USA) hat erstmals gezeigt, dass sich der Strom einer OLED auch mit kleinsten magnetischen Feldern schalten lässt. Diese Felder entsprechen einer Energie, die über eine Millionen Mal geringer ist als die Wärmeenergie bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse der Studie sind in der führenden Fachzeitschrift „Science“ erschienen.

Für die Umwandlung von Strom in Licht bringen OLEDs positive und negative Ladungen zusammen, sogenannte Elektronen und Löcher. Diese Elementarladungen haben neben der elektrischen Eigenschaft noch ein weiteres Merkmal: Ein Elektron verhält sich, mikroskopisch gesehen, wie ein kleiner Stabmagnet. Richten sich viele dieser Stabmagnete zusammen in die gleiche Richtung aus, so spricht man von Magnetismus. Allerdings sind diese Ladungen nicht die einzigen „Kompassnadeln“ in der OLED. Organische Halbleiter heißen so, weil sie aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Auch die Atomkerne des Wasserstoffs, die Protonen, haben ein magnetisches Moment – man spricht von einem „Spin“.

Die Spins der Elektronen und der Protonen können untereinander wechselwirken, genauso wie verschiedene Stabmagnete aneinander koppeln. Allerdings handelt es sich beim Spin um eine quantenmechanische Größe, deren Eigenschaften sich mit klassischen Analogien aus dem Alltag nicht vollständig veranschaulichen lassen. Am ehesten lässt sich der Elektronenspin mit einem sich drehenden Kreisel vergleichen. Der Protonenspin übt eine Kraft auf den Elektronenspin aus, er führt zu einer gewissen Ablenkung der Kreiselbewegung: der Kreisel fängt an zu „eiern“. Genau diese vom Kinderspielzeug bekannte Bewegung lässt sich jetzt direkt zeitaufgelöst im Strom einer OLED beobachten.

Es wurde schon lange vermutet, dass der Strom einer OLED von den magnetischen Eigenschaften der Protonen abhängt. Die Forscher um Prof. Dr. John Lupton (Regensburg) und Prof. Dr. Christoph Boehme (Utah) benutzten einen Trick, um diese Hypothese zu überprüfen. Mittels der aus der medizinischen Diagnostik bekannten Kernspinresonanz gelang es, die magnetischen Momente der Protonen gezielt zwischen Nord- und Südausrichtung zu schalten. Dieses Schalten hat einen direkten Einfluss auf den elektrischen Strom, der durch die OLED fließt.

Das Erstaunliche an den neuen Experimenten ist, dass die magnetische Kraft des Protons über tausend Mal geringer ist als die des Elektrons. Trotzdem bestimmt die Ausrichtung der Protonen den elektrischen Strom der Elektronen. Die Ursache hierfür ist in den quantenmechanischen Eigenschaften des Elektronenspins zu finden. Dieser lässt sich als eine Art Welle veranschaulichen, als eine regelmäßige Schwingung. Durch diese wiederkehrende Oszillation können auch kleinste Störungen zu einem großen messbaren Signal aufgebaut werden, ähnlich wie in akustischen Resonanzphänomenen, beispielsweise in einer Trompete.

Genau diese Spinschwingungen wurden bislang auch als mögliche Erklärung für den Magnetfeldsinn einiger Tiere, insbesondere der Zugvögel, vorgebracht, wobei zahlreiche Aspekte des physikalischen Mechanismus bislang im Dunkeln blieben. Die neue Perspektive auf die Elektron-Proton-Wechselwirkung in OLEDs eröffnet die Möglichkeit, konkrete quantenmechanische Experimente zu konzipieren, um die auf das Tierreich bezogenen Hypothesen direkt an einem Halbleiterbauelement zu überprüfen.

Die Ergebnisse des Forschungsteams der Universität Regensburg sowie der University of Utah und der University of Queensland wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht (DOI: 10.1126/science.1255624). (Alexander Schlaak)

Originalpublikation:
Room-temperature coupling between electrical currents and nuclear spins in OLEDs, Fachjournal “Science”, Vol. 345/1487

Externer Link: www.uni-regensburg.de