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Samuel Meek
Forschungsgruppenleiter, Otto-Hahn-Gruppe
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Samuel Meek

Präzisions-Infrarotspektroskopie an kleinen Molekülen

Durch die optische Frequenzkamm-Technik ist der Vergleich von unbekannten optischen Frequenzen mit Radiofrequenz-Referenzen, wie Atomuhren, und anderen optischen Referenzen wesentlich einfacher geworden.  Diese Technik hat viele neue Präzisionsmessungen von optischen Übergangen im Infrarot-, Sichtbar- und UV-Bereich mit absoluter Genauigkeit ermöglicht. Bisherkonzentrierten sich die meisten optischen Hochpräzisions-Messungen auf gasförmige Atome und Atomionen, insbesondere auf sehr einfache Systeme oder Systeme, die sich durch Laserlicht kühlen lassen. Einfache Systeme wie das Wasserstoffatom erlauben einen direkten Vergleich der experimentellen Messungen mit exakten Theorien, und die kohärente Wechselwirkung der langsamen lasergekühlten Atome mit dem Laserfeld kann auf einige Sekunden ausgedehnt werden, was eine Voraussetzung für eine äußerst genaue Bestimmung von Übergangsfrequenzen ist.

Im Gegensatz zu Atomen haben Moleküle Schwingungs- und Rotationsfreiheitsgrade und sind für einige physikalische Effekte viel empfänglicher als Atome. Zum Beispiel soll in mehreren laufenden Messungen an schweren, zweiatomigen Molekülen bestimmt werden, ob das Elektron ein elektrisches Dipolmoment hat. In anderen Experimenten wird versucht, die aufgrund der schwachen Kernkraft entstehenden Energiedifferenzen zwischen links- und rechtshändigen Enantiomeren chiraler Moleküle nachzuweisen. Die Frequenzen von Schwingungs-, Rotations- und Tunnelübergängen in Molekülen werden auch von einer möglichen Zeitvariation des Protonen-Elektronen-Massenverhältnisses stark beeinflusst.

Trotz dieser interessanten Eigenschaften ist die Untersuchung von Molekülen oft schwieriger als die von Atomen. Zum einen erschwert die komplexe Struktur der Moleküle die Zubereitung einer kalten Probe, und deshalb nutzte man bisher für die meisten Präzisionsmessungen an Molekülen relativ schnelle Molekülstrahlen, was die Wechselwirkungszeit begrenzt. Zum anderen sind viele der interessanten Übergänge in Molekülen im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich, für den es weniger Entwicklungen hinsichtlich schmalbandiger Laserquellen gibt.

Die Forschung dieser Gruppe konzentriert sich auf die Erweiterung der Präzisionsspektroskopie auf Vibrationsübergänge in leichten, zweiatomigen Molekülen, besonders im OH-Radikal. Um die beiden obengenannten Hindernisse zu überwinden, entwickeln wir neue schmalbandige (< 1 kHz) Laserquellen im 2-5 µm Wellenlängenbereich, die mittels eines optischen Frequenzkamms mit einem hoch stabilen Referenzlaser im Nah-Infrarotbereich verknüpft werden. Wir werden auch die am Fritz-Haber-Institut in Berlin entwickelte Stark-Abbremser-Technik einsetzen, um die OH-Moleküle abzubremsen und dadurch die Wechselwirkungszeiten mit dem Spektroskopielaser zu erhöhen.

 
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