Physiker in Innsbruck haben eine Methode, um den Bindungszustand von Molekülen zu steuern.
„Cruising through molecular bound-states manifolds with radiofrequency“, so lautet der Titel der neuesten Publikation aus dem Innsbrucker Quantenphysik-Institut (Nature Physics, online 27.1.), und das ist schon sprachlich faszinierend. „Manifolds“, zu Deutsch „Mannigfaltigkeiten“, ist ein Wort, das die Mathematiker gern verwenden: Sie meinen damit eine Art Raum. Die Innsbrucker Physiker um Johannes Hecker Denschlag meinen einen „Raum“ aus den Energiezuständen, die ein Molekül annehmen kann.
Durch diesen abstrakten Raum können sie „cruisen“, sagen sie, also darin „herumfahren“ wie auf der Yacht durchs Mittelmeer. Das Steuerrad ist eine eingestrahlte Radiowelle, in Verbindung mit einem Magnetfeld.
Über neun Kreuzungen
Und welche Fahrt ist gelungen? „Wir haben sehr schwach gebundene Moleküle aus je zwei Rubidium-Atomen über neun Kreuzungen in einen stärker gebundenen Zustand überführt“, erklärt Hecker Denschlag: „Auch der ist noch weit entfernt vom Grundzustand, aber wir sind auf dem Weg nach unten.“
Dabei sind die zwei Elektronen, die das Molekül zusammenhalten (wie es sich für eine Atombindung gehört), bereits in ihrem Grundzustand; die beiden Atomkerne schwingen und rotieren allerdings heftig. Ihre Schwingungs- und Rotationsenergie wird sukzessive ans Magnetfeld abgegeben, sie sinkt von Zustand zu Zustand. Welchen Weg ein Molekül durch den „Raum“ der Zustände nimmt, das bestimmen Gebote und Verbote der Quantenphysik: Das Molekül auf seinem Weg bergab durch die Energie-Landschaft wechselt auf eine andere „Straße“ (also in einen anderen Energiezustand), wenn es an einer „Kreuzung“ nicht weiter geradeaus fahren darf. Auch in der Quantenphysik ist aber kein Verbot absolut: Wenn man die Felder schnell genug manipuliert, kann man über eine solche Kreuzung auch drüberspringen.
Das zu kontrollieren ist die experimentelle Kunst der Innsbrucker. Sie arbeiten bei sehr tiefen Temperaturen, mit sehr kleinen Ensembles von Molekülen (nur ca. 20.000 Stück), die durch ein optisches Gitter vor Zusammenstößen gefeit sind. Dabei sind jeweils alle 20.000 Rubidium-Moleküle im selben Quantenzustand und wechseln ihn simultan.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 29.01.2008)