Die perfekte Welle: Die Welleneigenschaften großer Moleküle werden für die Massenspektrometrie genutzt. Mit dieser Methode wurde ein perfluoralkylierter Palladiumkomplex untersucht, dessen Masse und Polarisierbarkeit sich aus dem Kontrast seines Molekülinterferogramms ermitteln ließen. Diese Methode ermöglicht die Unterscheidung der Molekülfragmentierung in der Quelle von jener im Detektor. Anwendungen auf der Grundlage von Materiewellen sind nun denkbar.
Die perfekte Welle: Die Welleneigenschaften großer Moleküle werden für die Massenspektrometrie genutzt. Mit dieser Methode wurde ein perfluoralkylierter Palladiumkomplex untersucht, dessen Masse und Polarisierbarkeit sich aus dem Kontrast seines Molekülinterferogramms ermitteln ließen. Diese Methode ermöglicht die Unterscheidung der Molekülfragmentierung in der Quelle von jener im Detektor. Anwendungen auf der Grundlage von Materiewellen sind nun denkbar.
Die Bohrs che Theorie, die uns eine Vorstellung vom Bau des Atoms gegeben hat, und die mit ihr aufs engste verknüpfte Quantenlehre, die dieser Theorie zugrunde liegt, sind nicht nur in fast alle Gebiete der Physik eingedrungen, sondern haben auch in der Chemie eine gewaltige, beständig wachsende Bedeutung erlangt. Diese Wissenschaft befaßt sich vor allem mit Atomen und Molekülen, und daher ist es von vornherein klar, daß eine Lehre, die so viel Neues über diese Atome gebracht hat, auch für die Chemie als eine Art Offenbarung erscheinen, ihr einen Zufluß von neuen Ideen geben, neue weite Horizonte eröffnen und zur Entwicklung sowie Vertiefung der theoretischen Grundlagen beitragen mußte, mit denen diese Wissenschaft das von ihr erlangte, fast unübersehbare Versuchsmaterial zusammengefaßt und synthesiert. Es ist ohne weiteres klar, daß wir der Anwendung der neuen Lehre auf die Chemie nur wenig Platz einräumen können und nur bei den Fragen verweilen werden, die für die Physik von Interesse sind. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, und sich in jedem speziellen Falle auf ein oder zwei Beispiele beschränkend, werden wir unser Hauptaugenmerk auf die leitenden Grundgedanken und Tatsachen richten, durch die die Anwendungen der neuen, auf dem Boden der Physik entstandenen und zur Blüte gelangten Ideen auf die Chemie charakterisiert werden.
Abstract Die Forschung an kalten Molekülen hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Es gibt mittlerweile eine Reihe etablierter Methoden, um Moleküle in der Gasphase auf Temperaturen im Millikelvin‐Bereich zu kühlen. Dennoch konzentriert sich ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung darauf, neue Wege zu finden, um die Temperaturen der Moleküle dem absoluten Nullpunkt noch näher zu bringen. Proben kalter Moleküle bieten nicht nur wichtige Anwendungen für die hochauflösende Spektroskopie, die von den verlängerten Wechselwirkungszeiten der langsamen Moleküle mit der elektromagnetischen Strahlung profitiert. Sie versprechen auch einen Zugang zu einem exotischen Regime der chemischen Reaktivität, in dem Phänomene wie Quantentunneln und ‒resonanzen vorherrschen. Dieser Aufsatz beginnt mit einer Einführung in die Methoden, mit denen kalte Moleküle hergestellt werden können, mit besonderem Schwerpunkt auf der Stark‐Abbremsung und auf Molekülfallen. Ein wichtiger Teil des Aufsatzes ist neben den teilweise bereits realisierten auch den zukünftig möglichen Anwendungen kalter Moleküle gewidmet, die beide mithilfe ausgewählter Beispiele näher beleuchtet werden.
Quantenlicht hat eine Reihe von Eigenschaften, welche mit klassischer Physik nicht erklärbar sind. Diese können vorteilhaft für Anwendungen in der Bildgebung und Spektroskopie genutzt werden. Eine wesentliche Limitierung von Bildgebung mit klassischem Licht ist das Bildrauschen, welches die Bildqualität und Auflösung insbesondere bei geringer Lichtintensität begrenzt. Quantenlicht kann helfen, das Bildrauschen unter die klassisch zulässige Grenze zu verringern. Andere Limitierungen resultieren insbesondere aus den üblicherweise zur Bildgebung eingesetzten Sensoren, welche für sichtbares Licht optimiert sind. Viele Informationen verstecken sich aber in Spektralbereichen, welche mit diesen Sensoren nicht erfasst werden können, z.B. im Infraroten. Quanteneffekte können dabei helfen, auch diese Begrenzung zu überwinden. Dazu können Objekte mit infrarotem Licht beleuchtet werden, welches durch Quanteninterferenz „geisterhaft“ die dabei gewonnene Information auf einen sichtbaren Lichtstrahl überträgt. Die Kamera detektiert nur das sichtbare Licht, welches nie mit dem Objekt in Kontakt tritt, aber trotzdem die Bildgebung möglich macht. Im Vortrag sollen physikalische Grundeffekte und erste experimentelle Implementierungen dieser Phänomene erklärt werden. Weiterhin sollen mögliche Anwendungen, aber auch Hindernisse auf dem Weg zu einer breiten Nutzung diskutiert werden.
Die Materiewelleninterferometrie ermöglicht eine direkte Prüfung des Superpositionsprinzips an Objekten mit zunehmender Masse und Komplexität. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Interferenz von Atomen, Molekülen und Metallclustern mit Massen bis 170 kDa nachgewiesen. Ob sich dieser Ansatz auf Proteine übertragen lässt, ist bislang eine offene Frage. Eine solche Erweiterung würde die Quantenmechanik an Objekten hoher struktureller und funktioneller Komplexität untersuchen und quantenbasierte Messungen von elektrischen Polarisierbarkeiten, optischen Absorptionsquerschnitten, Dipolmomenten sowie Konformationsdynamiken neutraler Biomoleküle ermöglichen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung der experimentellen Grundlagen, auf denen ein Interferometer für Proteine basieren kann. Drei Bestandteile sind hierfür erforderlich: eine Quelle neutraler Biomoleküle, ein Gittermechanismus zur kohärenten Spaltung der Materiewelle und ein Detektor zum Nachweis einzelner Teilchen. Die hier präsentierte Arbeit stellt zwei experimentelle Verfahren vor, die diese Anforderungen erfüllen. Photospaltbare Tags wandeln massenselektierte Ionen in neutrale Moleküle um und bilden die Grundlage optischer Fragmentationsgitter, während supraleitende Nanodrahtdetektoren die Detektion langsamer neutraler Moleküle und biomolekularer Ionen ermöglichen. Drei Familien photospaltbarer Tags werden untersucht. Ruthenium-Polypyridyl-Komplexe werden im ultravioletten Spektralbereich bei 266 und 355 nm charakterisiert, BODIPY-Onium-Photokäfige verlagern den Spaltmechanismus in den sichtbaren Bereich, und MeO-NDBF-Derivate können bei 355 nm gespalten werden. Die Tags werden an Peptide und Proteine angebracht, darunter Oxytocin, Insulin, Lysozym und RNase A, und hinsichtlich ihrer photochemischen Eigenschaften charakterisiert. Dies umfasst Messungen von Wirkungsquerschnitten sowie die Bestimmung wesentlicher Spaltprodukte, die zur Ladungsreduktion oder Neutralisation beitragen. Der zweite Teil dieser Arbeit charakterisiert supraleitende Nanodrahtdetektoren anhand von drei Teilchenklassen. Untersucht werden NbTiN Nanodrähte mit 9,5 nm dicken Filmen und Drahtbreiten zwischen 60 und 500 nm, einem Füllfaktor von 50 Prozent, sowie aktiven Flächen von Meandern zwischen 20×20 und 200×200 µm². Die Reaktionszeiten von diesen Detektoren liegen im Subnanosekundenbereich, während Totzeiten von einigen zehn Nanosekunden erreicht werden. Einfach geladene Ionen, darunter Chromophore, Peptide und Proteine mit Massen von 0,5 bis 25 kDa, dienen zur Charakterisierung der Detektorreaktion bei wohldefinierten kinetischen Energien von 50 bis 1000 eV. Zudem werden neutrale Perfluordekalin- und Tetraphenylporphyrinmoleküle in einer Überschallexpansion aus Helium mit Auftreffgeschwindigkeiten von 800 bis 1600 m/s auf den Detektor gelenkt, was Energien von etwa 2 bis 8 eV entspricht. Metastabile Helium- und Argonatome tragen interne Anregungsenergien von 19,8 und 11,5 eV und prüfen die Detektorreaktion auf elektronische Anregungsenergie. Über diese Klassen hinweg erfassen diese Detektoren langsame neutrale Moleküle und niederenergetische biomolekulare Ionen in einem Bereich, in dem herkömmliche Teilchendetektoren stark an Effizienz verlieren. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass photospaltbare Tags zur optischen Ladungsentfernung und als Fragmentationsgitter dienen können und dass supraleitende Nanodrahtdetektoren als Schlüsseltechnologien in der Materiewelleninterferometrie ihre Anwendung finden.
Kalte Moleküle im Vakuum mit einem fokussierten leistungsstarken Laserstrahl räumlich festzuhalten und auszurichten könnte mit einem kürzlich vorgestellten Verfahren gelingen. Die bisher nur auf theoretischen Überlegungen basierende Methode beruht auf der Polarisation der Moleküle durch das elektrische Lichtfeld, die ein attraktives Wechselwirkungspotential erzeugt. Falls die Moleküle einen anisotropen Polarisierbarkeitstensor aufweisen, richten sie sich zudem mit ihrer Achse höchster Polarisierbarkeit parallel zur Polarisationsrichtung des Lichtfeldes aus.