Wie Laser die Chiralität überlisten könnten
Theoretisch könnte die Trennung von Spiegelbildmolekülen mit Licht erfolgen
Eine Gruppe theoretischer Physiker der Universität von Basel hat zusammen mit Kollegen der chinesischen Akademie der Wissenschaften ein Verfahren zur Sortierung chiraler Moleküle entwickelt – zumindest auf dem Papier. Dabei werden die Moleküle in einem Strahl im Vakuum durch drei verschiedene Laserstrahlen geschossen, deren Frequenzen die Elektronen der Moleküle zu Energieübergängen anregen. Den Berechnungen der Forscher zufolge werden die Moleküle dabei je nach ihrer Händigkeit und ihres Spinzustands unterschiedlich stark von ihrer Flugrichtung abgelenkt und könnten somit sortiert werden.
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Ein Molekül wird als chiral bezeichnet, wenn es in genau zwei zueinander spiegelbildlichen Zuständen auftreten kann. Da oftmals nur einer der beiden Zustände (entweder der links- oder der rechtshändige) eine gewünschte biochemische Funktion etwa in der Zellbiologie hat, stehen chirale Moleküle schon seit vielen Jahrzehnten im Fokus der Forscher.
Christoph Bruder und seine Kollegen haben nun ein Konzept entwickelt, mit dem sich chirale Moleküle abhängig von ihrer Chiralität und dem Wert ihres Spins sortieren lassen. Dazu müssen die Teilchen durch drei sich überlagernde Laserstrahlen fliegen, deren Frequenzen allerdings genau auf die verwendeten Moleküle abgestimmt sein müssen.
Zwei der drei Laserstrahlen müssen der Studie der Forscher nach Elektronenübergänge in den Molekülen anregen, die für beide Händigkeiten genau gleich sind. Der dritte Strahl hingegen regt einen Energieübergang an, dessen quantenmechanische Phase für links- und rechtshändige Moleküle unterschiedlich ist.
Wenn nun die Moleküle des Strahls zudem alle in die gleiche Richtung weisen, so erfahren sie beim Durchgang durch den Strahl je nach Händigkeit (links oder rechts) und Spinzustand (genauer gesagt der Projektion der Spinachse auf eine gegebene Richtung – nach oben oder nach unten) eine unterschiedliche Ablenkung aus ihrer Flugbahn. Somit werden die Moleküle in vier verschiedene Gruppen sortiert, den vier Kombinationen der beiden Händigkeiten und Spinzuständen entsprechend.
Bruder vergleicht sein Konzept mit dem berühmten Stern-Gerlach-Experiment der Quantenphysik, in dem ein Strahl von Atomen in einem Magnetfeld in zwei Bahnen mit unterschiedlichem Spinzustand aufgespalten wird. Die Forscher weisen allerdings darauf hin, dass ihr Effekt nur äußert schwach ist und somit wohl nur im Labor mit ultrakalten Molekülen beobachtet werden kann. Obwohl praktische Anwendungen zur Sortierung chiraler Moleküle daher fraglich sind, ließe sich mittels des vorgeschlagenen Versuchs Grundlagenphysik betreiben.
Physical Review Letters, Bd. 99, Artikel 130403
Stefan Maier
