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Optische Pinzetten : Ein Laserstrahl mit Zangenfingern

  • -Aktualisiert am

Viele optische Komponenten sind erforderlich, um einzelne Moleküle mit Laserstrahlen einzufangen und zu manipulieren. Bild: Loic Anderegg, Harvard University

Mit Laserstrahlen lassen sich Bakterien, Viren und sogar Atome wie mit einer Pinzette ergreifen und nach Belieben manipulieren. Amerikanischen Physikern ist dieses Kunststück nun auch bei einzelnen Molekülen gelungen.

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          Optische Pinzetten sind wichtige Werkzeuge in der Physik, den Materialwissenschaften, der Biologie und immer häufiger auch in der medizinischen Forschung. Mit ihnen lassen sich kleine Kügelchen, Atome, aber auch einzelne biologische Zellen und Zellorganellen räumlich fixieren. Das eröffnet die Möglichkeit, an diesen Objekten gezielte Eingriffe vorzunehmen – sie beispielsweise zu schneiden, in Rotation zu versetzen oder in anderer Weise zu manipulieren.

          Bei Molekülen ist die Situation schwieriger. Weil sie aus mehreren Atomen bestehen, lassen sie sich deutlich schlechter einfangen und kontrollieren. Ihre Zustände sind äußerst komplex und können aus verschiedenen Kombinationen von Rotationen, Schwingungen und elektronischen Anregungen bestehen.

          Seit langem sind die Physiker daran interessiert, einzelne Moleküle mit optischen Pinzetten einzufangen und zu isolieren. Denn so könnten sie viele physikalische und chemische Eigenschaften unter nahezu perfekten Bedingungen studieren, die normalerweise schwer zugänglich sind. Auf diese Weise ließen sich unter anderem Modelle der Quantenchemie oder der Teilchenphysik präzise testen.

          Zweiatomige Moleküle tiefgekühlt

          Einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet hat nun eine Forschergruppe um John M. Doyle von der Harvard University und Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology erzielt. Dank einer Kombination verschiedener optischer Techniken ist es den Wissenschaftlern gelungen, bis zu eine Handvoll Moleküle einzufangen und in einer speziellen optischen Pinzette für längere Zeit an einem Ort festzuhalten. „So können wir einzelne Moleküle kontrollieren, um etwa Kollisionen unter definierten Bedingungen zwischen ihnen zu studieren“, sagt Loic Anderegg aus Harvard, Ko-Autor der in der Zeitschrift „Science“ erschienenen Arbeit. Die Kontrolle geht so weit, dass die Forscher verschiedene Quantenzustände über Laserstrahlen anregen oder mit Hilfe äußerer Felder das magnetische Verhalten der Moleküle testen und manipulieren können.

          Für ihre Experimente luden die Forscher zunächst rund zehntausend zweiatomige Kalziumfluorid-Moleküle (CaF) in eine magnetooptische Falle. Die räumliche Dichte der Molekülwolke war jedoch noch zu gering, um die Teilchen direkt in die optische Pinzette überführen zu können. Mit Laser kühlten die Forscher die Moleküle bis auf einige Dutzend millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, so dass die Teilchen in ihren quantenphysikalischen Grundzustand übergingen. Über eine weitere optische Falle, in der die Moleküldichte deutlich zunahm, schleusten die Wissenschaftler die Kalzium-Monofluorid-Moleküle in die optische Pinzette. Mit dieser lassen sich nicht nur Molekülwolken fixieren, sondern einzelne Moleküle gezielt manipulieren. Überschüssige Teilchen wurden entfernt.

          Moleküle kollidieren in der Lichtzange

          Die Pinzette bestand aus einem intensiven in fünf Lichtzangen aufgespaltenen Laserstrahl. Wie viele Moleküle aus der optischen Falle in welche Zange gelangten, konnten die Forscher über die Stärke des ausgesandten Fluoreszenzlichts prüfen. So war manche Zange leer, andere enthielten bis zu vier oder fünf Moleküle. Im Idealfall befanden sich nur zwei tiefgekühlte Moleküle in einem Pinzettenfinger. Jetzt konnten die Forscher unter perfekt kontrollierten Bedingungen molekulare Kollisionen und Reaktionen studieren und andere Untersuchungen vornehmen.

          Das Verfahren ist nach Ansicht der Forscher nicht ausschließlich auf zweiatomige Moleküle beschränkt, sondern sollte auch bei größeren molekularen Systemen funktionieren. Außerdem lassen sich die verschiedenen Pinzettenfinger in unterschiedlichen räumlichen Geometrien anordnen. Damit könnte man kalte Moleküle in Form eines regelmäßigen Gitters anordnen. Weil sich die Quanteneigenschaften der Moleküle gezielt einstellen und kontrollieren lassen, wäre ein solches molekulares Gitter für Quantensimulationen zum Studium von Materialeigenschaften interessant. „Etwas ferner in die Zukunft geschaut, könnte man einzelne Moleküle auch als Quantenbits nutzen“, erklärt Anderegg. Da sich die molekularen Zustände so gut präparieren und kontrollieren lassen und da sie außerdem positive Eigenschaften wie etwa lange Kohärenzzeiten besitzen, ließe sich damit eventuell auch das fehlertolerante Quantencomputing voranbringen.

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