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Tailored molecular samples for precision spectroscopy

Subject Area Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
Term from 2012 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 212075839
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens „Zugeschnittene Molekülproben für die Präzisionsspektroskopie“ stand die Entwicklung eines neuen Experiments mit dem Ziel, Präzisionsspektroskopie zur Untersuchung der Paritätsverletzung in chiralen Molekülen durchzuführen. Das Vorhaben lässt sich in drei Einzelprojekte einteilen: der Spektrometerentwicklung, der Untersuchung geeigneter chiraler Molekülkandidaten und der Weiterentwicklung geeigneter Methoden zur Darstellung langsamer Molekülstrahlen von diesen chiralen Molekülen. Das von uns entwickelte und jetzt betriebsbereite Mikrowellenspektrometer wurde insbesondere für den Frequenzbereich entwickelt, in dem die von theoretischen Arbeitsgruppen vorgeschlagenen Molekülkandidaten zur Beobachtung paritätsverletzender Effekte bevorzugt absorbieren und emittieren. Es bietet sehr hohe Empfindlichkeit und Auflösung, so dass wir davon überzeugt sind, dass wir in den nächsten Monaten interessante neue molekulare Aspekte untersuchen können werden, wie beispielsweise die Abhängigkeit der Spin-Rotationskopplung von der Molekülstruktur. Ein wichtiger Schwerpunkt des Vorhabens war die Charakterisierung geeigneter Molekülkandidaten. Hier haben wir spektroskopisches Neuland betreten. Es war im Vorhinein nicht klar, ob die entwickelten Methoden zur Überführung fester Moleküle in die Gasphase und die Empfindlichkeit der Rotationsspektroskopie ausreichend sein würden, um die spektralen Eigenschaften sehr schwerer, chiraler Moleküle wie der schwermetallhaltigen Rheniumkomplexe aufzunehmen. Unsere Arbeit zum CpRe(CH3)(CO)(NO), die in Angewandte Chemie Int. Ed. publiziert wurde, hat gezeigt, dass wir derartige Moleküle sehr effizient durch Heizen in die Gasphase überführen können. Die Rotationsspektren zeigen eine reiche Unterstruktur durch verschiedene Molekül- und Atomkerneffekte, deren Untersuchung und Verständnis hochinteressant und unbedingt notwendig sind, um erfolgreich Messungen zur Paritätsverletzung an derartigen chiralen Molekülen durchzuführen. Zusätzlich zu den im Antrag vorgeschlagenen Forschungsaktivitäten gelang es uns zudem, die Mikrowellenspektroskopie so weiterzuentwickeln, dass man sie zur chemischen Analyse chiraler Moleküle verwenden kann. Mit der so genannten Mikrowellen Drei-Wellen-Misch-Technik können wir die Enantiomere chiraler Moleküle eindeutig voneinander unterscheiden, den Enantiomerenüberschuss eines bestimmten Enantiomers sowie die absolute Händigkeit des Überschussenantiomers bestimmen - auch in komplexen chiralen Mischungen. Sowohl unsere spektroskopischen Untersuchungen zum CpRe(CH3)(CO)(NO) als auch die Entwicklung des Mikrowellen Drei-Wellen-Mischens haben innerhalb der Physikalischen Chemie und der Molekülphysik, aber auch außerhalb dieser communities für viel Aufmerksamkeit gesorgt. Die Methode des Drei-Wellen-Mischens wurde beispielsweise in einem Wissensartikel der Frankfurter Allgemeinen Zeitung vom 03.08.2013 aufgegriffen und beschrieben („Wählerische Spiegelbilder“ von Uta Bilow). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das große Ziel, den Frequenzunterschied zwischen den Enantiomeren aufgrund der Paritätsverletzung zu messen, noch nicht erreicht werden konnte. Auf dem Weg dahin ergaben sich interessante wissenschaftliche Herausforderungen und neue Einblicke, wie beispielsweise in die Kernquadrupolkopplung komplexer Moleküle und den Einfluss relativistischer Effekte, sowie in die chirale Analyse.

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