Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ist es gelungen, mittels fortschrittlicher Spektroskopie sowohl Wasserstoff- als auch Deuterium-Moleküle in extrem kleinen Hohlräumen (Picokavitäten) zu beobachten. Diese bahnbrechende Studie enthüllte einzigartige Unterschiede zwischen den beiden Molekülen, die auf quantenmechanische Effekte zurückzuführen sind. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zukünftige Forschungen in wichtigen Bereichen wie der Energiespeicherung und den Quantentechnologien maßgeblich voranbringen.
Wichtige Aspekte
Erstmals ist die spektroskopische Beobachtung von Wasserstoff- (H₂) und Deuterium-Molekülen (D₂) gelungen, die in einem atomaren Raum, einer sogenannten Picokavität, physikalisch adsorbiert sind. Dabei wurde die picometrische Rotations- und Vibrationsspektroskopie eingesetzt, um ihre Struktur und Dynamik auf Einzelmolekülebene zu untersuchen. Es wurden unterschiedliche spektrale Reaktionen für H₂ und D₂ festgestellt, wobei theoretisch gezeigt werden konnte, dass diese Unterschiede auf nicht-triviale Isotopeneffekte zurückzuführen sind, die durch quantenmechanische Kernspezifika verursacht werden. Dieser Fortschritt in der präzisen molekularen Spektroskopie innerhalb von Picokavitäten eröffnet neue Möglichkeiten für kontrollierte Studien funktionaler Materialien im Energiebereich, beispielsweise für Wasserstoffspeichersysteme und katalytische Oberflächen, sowie für die Entwicklung von Einzelmolekül-Quantenkontrolltechnologien.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Akitoshi Shiotari vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland, Mariana Rossi vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie ebenfalls in Deutschland sowie Takashi Kumagai vom Institute for Molecular Science/SOKENDAI in Japan hat erfolgreich die spektroskopische Einzelmolekülbeobachtung von Wasserstoff (H₂) und Deuterium (D₂) innerhalb einer Pikokavität realisiert.
Diese Pikokavität wurde zwischen einer Silber-Nanospitze und einem einkristallinen Silbersubstrat unter kryogenen Bedingungen und im Ultrahochvakuum mithilfe der tip-verstärkten Raman-Spektroskopie (TERS) erzeugt.
Die Erzeugung der Pikokavität
Diese Pikokavität wurde zwischen einer Silber-Nanospitze und einem einkristallinen Silbersubstrat unter kryogenen Bedingungen und im Ultrahochvakuum mithilfe der tip-verstärkten Raman-Spektroskopie (TERS) erzeugt.
In den letzten Jahren ist das Interesse an Licht-Materie-Wechselwirkungen in atomar dimensionierten Volumina, bekannt als Pikokavitäten, innerhalb der Nano-wissenschaft und Nano-technologie stark gestiegen. Man geht davon aus, dass das dort extrem stark eingeschlossene plasmonische Feld, das durch Plasmonresonanz entsteht, eine vielversprechende Grundlage für Messungen auf atomarer Skala sowie für Quantenphotonik-Technologien darstellt.
In dieser Studie gelang es, das kleinste Molekül – Wasserstoff – in einer Pikokavität einzuschließen und mittels hochauflösender TERS (tip-verstärkter Raman-Spektroskopie) zu untersuchen. Dies ermöglichte eine pikometrische molekulare Spektroskopie, die die Vibrations- und Rotationsmoden des Moleküls in einer bisher unerreichten Detailtiefe sichtbar machte.
Auswirkungen der extremen räumlichen Einschränkung
Die Forschenden konnten so detailliert aufzeigen, wie die Struktur und die Schwingungseigenschaften eines einzelnen Moleküls durch die extreme räumliche Einschränkung innerhalb der Pikokavität beeinflusst werden. Darüber hinaus wurde die Interaktion mit dem Molekül gezielt variiert, indem der Abstand zwischen der Silberspitze und dem Substrat präzise angepasst wurde. Dabei zeigte sich ein bemerkenswerter Effekt: Nur die Vibrationsmode von H₂ – nicht jedoch die von D₂ – wies eine signifikante Veränderung auf. Dies deutet auf einen starken isotopenabhängigen Effekt hin, der mit konventionellen Vibrationsspektroskopien wie der Raman-Spektroskopie bisher nicht erfasst werden kann.
Um die Ursache dieses ungewöhnlichen Isotopeneffekts zu entschlüsseln, führte das Team umfangreiche theoretische Simulationen durch. Dabei kamen fortschrittliche Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT), Pfadintegrale Molekulardynamik (PIMD) und Modell-Hamiltonianen zum Einsatz. Die Berechnungen offenbarten, dass die Spektroskopie extrem empfindlich auf das lokale Wechselwirkungspotenzial reagiert, welches maßgeblich von den van-der-Waals-Kräften bestimmt wird.
Rolle der Quantenausdehnung
Eine entscheidende Rolle bei den beobachteten Unterschieden spielt die quantenmechanische Delokalisierung der Atomkerne, auch als Quantenausdehnung bei tiefen Temperaturen bekannt. Diese bewirkt, dass H₂ und D₂ unterschiedliche bevorzugte Aufenthaltspositionen innerhalb der Pikokavität einnehmen. Diese Differenz in der räumlichen Verteilung führt wiederum zu den erheblichen Abweichungen in ihren Vibrationsspektren. Dr. Rossi erklärt: „Wir waren überrascht, wie stark die Kopplung der Schwingungsmoden und quantenmechanische Kernenffekte zusammenwirken, um einen derart ausgeprägten Isotopeneffekt zu erzeugen.”
Dr. Shiotari erklärt: „Diese Arbeit vertieft unser Verständnis der Licht-Molekül-Wechselwirkungen und der Quantendynamik adsorbierter Moleküle in extrem engen Räumen – ein bedeutender Fortschritt in der hochpräzisen molekularen Spektroskopie.” Prof. Kumagai fügt hinzu: „Die hier entwickelten Methoden und Erkenntnisse dürften künftig zur fortschrittlichen Analyse von Wasserstoffspeichermaterialien und katalytischen Reaktionen beitragen sowie zur Entwicklung von Quantensteuerungstechnologien auf Einzelmolekülebene – und damit auch zur nächsten Generation nanoskaliger Sensorik und Quantenphotonik.“
Quelle: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (05/2025)
Publikation:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.206901