Mikrofalle Moleküle in der Mikrofalle

Max-Planck-Forschern ist es jetzt gelungen, Moleküle in einer Mikrofalle zu fangen und wieder gezielt zu beschleunigen. Der entwickelte Mikrochip soll Experimente mit Molekülen in der Gasphase vereinfachen.

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Fritz Haber-Institut der Max-Planck Ges.

Berlin - Mithilfe einer Mikrofalle, die Sam Meek und seine Kollegen vom Fritz-Haber-Institut in Berlin entwickelt haben, lassen sich jetzt Gasmoleküle wie Kohlenmonoxid gezielt bremsen und wieder beschleunigen, um sie in einem Detektor nachzuweisen. Indem die Moleküle auf dem Chip eingefangen werden, lassen sich Molekülstöße und die Lebensdauer von Zuständen in der Gasphase einfacher studieren.

Aufbau und Funktionsweise der Mikrofalle

Nach den Plänen der Forscher hat die Berliner Firma micro resist technology mehr als 1200 Goldelektroden auf einer Glasplatte platziert. Die Elektroden sind jeweils vier Millimeter lang. Den Chip positionieren die Forscher in einer Vakuum-Apparatur und legen an die Elektroden sechs verschiedene Wechselspannungen an. So erzeugen sie im Abstand von einem Zehntel Millimeter zylindrische Potenzialminima, die parallel zu den Elektroden laufen und wie Käscher Moleküle fangen. Die Moleküle müssen allerdings ein elektrisches Dipolmoment besitzen wie Kohlenmonoxid oder Wasser.

„Über die Frequenzen der Wechselspannung an den Elektroden steuern wir, wie schnell sich die Potenzialminima über den Chip bewegen“, erklärt Sam Meek. Zu Beginn rasen die Fallen mit 325 Metern pro Sekunde über den Chip. Rund zehn Moleküle landen in einer Potenzialfalle, die mit dem Strahl über den Chip fliegt.

Indem die Wissenschaftler die Frequenz der Wechselspannungen herunterregeln, werden die Fallen inklusive der gefangenen Moleküle abgebremst. Die Fallen nehmen aus dem Molekularstrahl langsamere Moleküle auf. Haben die Forscher auf diese Weise mehrere Dutzend Fallen beladen, bringen sie die Moleküle ganz nach Wunsch zum Stillstand oder auf eine beliebige Geschwindigkeit.

„Dabei fokussieren wir die Geschwindigkeit der Moleküle“, sagt Sam Meek: Am Ende des Bremsweges variiert ihre Geschwindigkeit nur noch um wenige Meter pro Sekunde. Nun beschleunigen die Forscher die Moleküle wieder und schleudern sie vom Chip auf einen Detektor. „Dabei wählen wir die Geometrie und die Beschleunigung so, dass sich ihre Geschwindigkeit beim Verlassen des Chips wieder auffächert“, erklärt Meek: „Auf diese Weise fokussieren wir die Moleküle räumlich, sodass sie alle gleichzeitig auf den Detektor treffen.“

Fangen von Atomen und Molekülen

Atome lassen sich bereits seit Jahren in magnetischen Fallen auf Chips fangen. Physiker können Atome sehr gut mit Laserstrahlen bremsen, bevor sie die Teilchen auf einem Chip manövrieren. Wenn das Atom ein Laserphoton aufnimmt, erfährt es einen kleinen Stoß. Geschickt eingesetzt lässt es sich so stoppen. Das funktioniert jedoch nur, weil ein Atom auf alle Laser-Photonen in gleicher Weise reagiert. Da Moleküle unterschiedlich reagieren, lassen sie sich auf diese Art nicht abbremsen.

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