Laserspektroskopie von H2+ Das simpelste Molekül überhaupt erstmals im Schwingungsversuch

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Das denkbar einfachste Molekül besteht aus zwei Protonen, die von einem Elektron zusammengehalten werden. Forscher der Universität Düsseldorf haben H₂⁺ nun erstmals mittels Laserspektroskopie untersucht und so bislang theoretische Vorhersagen erstmals mit Messwerten bestätigt. Die Experimente könnten auch bei fundamentalen Forschungsfragen von Bedeutung sein, etwa warum im Universum Materie der Antimaterie überwiegt.

Eines der ersten Moleküle, die nach dem Urknall entstanden, ist H₂⁺. Es besteht aus den grundlegendsten Bausteinen, die sehr früh im Universum gebildet wurden: zwei Wasserstoffkernen (den Protonen) und einem Elektron. Das Elektron bindet die beiden Protonen zu einem Molekül. Im Zusammenspiel von Teilchenbewegungen und Kräften können die beiden Protonen schwingen und rotieren.

Trotz oder gerade wegen seiner relativen Einfachheit blieb H₂⁺ bislang relativ unerforscht. Denn aufgrund der gleichen Ladung und Masse der beiden Atomkerne absorbiert und emittiert das Molekül fast keine sichtbare und infrarote Strahlung. Entsprechend kann es fast nicht mit Teleskopen beobachtet werden, sodass Astronomen H₂⁺ nur sehr schwer im Universum aufspüren und erforschen können.

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Die verschiedenen Schwingungs- und Rotationszustände des Moleküls entsprechen bestimmten Anregungsenergien. Wechselt ein Molekül zwischen zwei solcher Zustände, absorbiert bzw. emittiert es einen charakteristischen Energiebetrag, ein Photon. Dies ist ein Quantum elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Frequenz. In früheren Laborexperimenten wurden diese Energieunterschiede zwischen bestimmten Schwingungs- und Rotationszuständen von H₂⁺ meist indirekt gemessen. In keinem dieser Experimente kamen Laser zum Einsatz.

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Schwingungsspektroskopie mit Laserpräzision

Ein Forscherteam vom Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun erstmals direkt untersucht, wie das H₂⁺-Molekül mithilfe von Laserlicht zu Rotationen und Schwingungen angeregt werden kann. Doktorand Magnus Schenkel entwickelte ein weltweit einzigartiges Lasersystem, mit dem der Übergang zwischen verschiedenen Rotations-Schwingungszuständen angeregt werden kann. Das Lasersystem ist besonders anspruchsvoll, da es monochromatische – also sehr frequenzscharfe – Laserstrahlung im Infrarotbereich bei 2,4 Mikrometer Wellenlänge mit hoher Leistung erfordert.

Ziel der Düsseldorfer Physiker war es, die Frequenz der benötigten Strahlungsquanten möglichst präzise zu messen. In ihren Experimenten erzielten sie eine bisher unerreichte Messgenauigkeit. Ihre Messungen ergaben einen Frequenzwert, der mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Wesentlich war dabei, dass die Physiker die zu untersuchenden Moleküle in einer Falle speicherten, in der sie ein weiterer Laser auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts kühlt.

Physikalische Konstanten im Test

Die genaue Messung der Rotations- und Schwingungsenergie von H₂⁺ im Zusammenspiel mit ihrer theoretischen Berechnung hat auch eine fundamentalere Anwendungsmöglichkeit: Durch sie können die grundlegenden physikalische Gesetze getestet werden, die für die Wechselwirkung zwischen Teilchen verantwortlich sind. Denn auf diesen Gesetzen fußt die theoretische Berechnung der Energien.

Darüber hinaus hängen die Energien von H₂⁺ von fundamentalen Konstanten der Physik ab, etwa vom Massenverhältnis von Proton zu Elektron. Eine sorgfältige Messung der Energien ermöglicht es daher, die physikalischen Konstanten zu bestimmen. Dies ist nun dem Team um Prof. Stephan Schiller mithilfe der Laserspektroskopie gelungen. Das Massenverhältnis wurde mit einer relativen Genauigkeit Unsicherheit von 3×10^-8 bestimmt. Zwar ist das nicht so genau wie mit alternativen Methoden, aber die erfolgte Messung ist nur der erste Schritt.

Dem Missverhältnis von Materie und Antimaterie nachgehen

In der Zukunft wollen die Physiker ihre Messergebnisse noch weiter verbessern. „Wir haben das Potenzial unseres Ansatzes mit einem ‚Cousin‘ von H₂⁺ getestet, dem Molekül HD⁺, mit dem wir viel schneller vorgehen können.“, sagt Dr. Soroosh Alighanbari, einer der Autoren der Studie. Bei HD⁺ ist ein Proton durch ein Deuteron ersetzt ist, was das Molekül spektroskopisch leichter zugänglich macht. „Mit unserer Apparatur können wir tatsächlich noch präzisere Messungen durchführen, was wir demnächst mit H₂⁺ erneut versuchen wollen.“

Über die ultrapräzise Spektroskopie von Schwingungsübergängen in H₂⁺ eröffnet sich darüber hinaus eine noch weitreichendere Perspektive, um die grundlegenden Grenzen der Physik zu erforschen. „Unser aktuelles Ergebnis ist der allererste Schritt hin zu einem präzisen Vergleich des Verhaltens von Materie und von Antimaterie: Wir würden H₂⁺ und sein Antimaterie-Gegenstück spektroskopieren und so nach winzigen, möglicherweise existierenden Differenzen in deren Schwingungsenergien suchen, sagt Gruppenleiter Schiller. „Solche Messungen können von Bedeutung sein, um zu verstehen, warum unser Universum voller Materie ist, aber kaum Antimaterie enthält.“

Originalpublikation: Schenkel, M.R., Alighanbari, S. & Schiller, S.: Laser spectroscopy of a rovibrational transition in the molecular hydrogen ion, Nat. Phys. (2024); DOI: 10.1038/s41567-023-02320-z

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