Forschern des Fritz-Haber-Instituts ist ein bahnbrechender Sprung in der Molekularphysik gelungen, indem sie die nahezu perfekte Kontrolle über die Quantenzustände chiraler Moleküle erlangt haben – ein Meilenstein, der früher als nahezu unmöglich galt.
Diese bahnbrechende Errungenschaft widerspricht lang gehegten wissenschaftlichen Überzeugungen und ebnet den Weg für neue Forschungsmöglichkeiten und praktische Anwendungen, von der Grundlagenphysik bis zur Erforschung der molekularen Asymmetrien des Lebens.
Beherrschung der Quantenkontrolle der Chiralität
Der Name Chiralität leitet sich vom griechischen Wort cheir ab, das „Hand“ bedeutet. Er beschreibt die Eigenschaft eines Moleküls, dass es sich nicht mit seinem Spiegelbild überlagern lässt, so wie die linke und die rechte Hand Spiegelbilder sind. Solche Moleküle, die als chiral bezeichnet werden, treten in zwei enantiomeren Formen auf, die im Wesentlichen Spiegelbilder voneinander sind und aufgrund ihrer spezifischen Konfiguration oft als „rechtshändig“ oder „linkshändig“ bezeichnet werden.
Während Enantiomere im Allgemeinen die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweisen, reagieren sie bei der Interaktion mit anderen chiralen Substanzen oder Umgebungen unterschiedlich. Dieser nuancierte Unterschied ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in biologischen Systemen, in denen die Vorliebe für ein bestimmtes Enantiomer, die so genannte Homochiralität, für die molekulare Architektur des Lebens grundlegend ist.
Die selektive Kontrolle über die Enantiomere wurde bisher nur als theoretische Möglichkeit betrachtet, aber die Forscher haben das Gegenteil bewiesen. Ihr erreichten eine bemerkenswerte 96%ige Reinheit bei der Kontrolle des Quantenzustands eines Enantiomers, indem Ihr ideale experimentelle Bedingungen schufen. Dazu verwendeten Ihr maßgeschneiderte Mikrowellenfelder und ultraviolette Strahlung auf einen Strahl chiraler Moleküle, der auf nur ein Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt war.
Präziser Durchbruch bei der Kontrolle von Enantiomeren
Während ihres Experiments durchlief der Molekularstrahl drei Interaktionszonen, in denen er resonanter UV- und Mikrowellenstrahlung ausgesetzt war. Diese sorgfältige Manipulation der Felder führte zu einer fast ausschließlichen Besiedlung des ausgewählten Enantiomers in den gewünschten Rotationsquantenzuständen – ein bedeutender Durchbruch bei Molekularstrahlstudien. Diese Präzision beim zustandsspezifischen Enantiomer-Transfer hat weitreichende Auswirkungen, die von der Molekularphysik bis zur Entschlüsselung der grundlegenden Symmetrien und Asymmetrien des Universums reichen.
Mit Blick auf die Zukunft eröffnet diese Errungenschaft zahlreiche Forschungswege, insbesondere bei der Untersuchung der Paritätsverletzung in chiralen Molekülen – ein Phänomen, das von der Theorie vorhergesagt, aber noch nicht empirisch beobachtet wurde.
