Licht beeinflusst chemische Reaktionen normalerweise, indem es Elektronen von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres hebt und so Moleküle in reaktivere Varianten ihrer selbst verwandelt. Forscher von der Universität Straßburg jedoch greifen nun auf einer fundamentaleren Ebene in chemische Reaktionen ein: Sie nutzen eine starke Kopplung mit einem Lichtfeld, um die Energieniveaus selbst zu verschieben und so die chemischen Eigenschaften eines Stoffs grundlegend zu verändern. Das Team um den Chemiker Thomas Ebbesen hofft, mit dem Verfahren chemische Prozesse in Zukunft noch präziser steuern zu können.

Die Forscher platzierten die Moleküle in einem einfachen Hohlraumresonator aus zwei Spiegeln, zwischen denen Licht eine stehende Welle bildet. In dieser Situation besitzt das Lichtfeld diskrete Energieniveaus – und diese können mit den Energieniveaus der Materie interagieren. Wenn die Zustände von Lichtfeld und Molekül auf dem gleichen Energielevel liegen, spalten sie sich in zwei Zustände mit unterschiedlicher Energie auf. Der Abstand zwischen ihnen, die Rabi-Spaltungsenergie, liegt im Bereich von einigen Hundert Millielektronenvolt und hängt von der Stärke der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ab.

Starke Kopplung
© Spektrum der Wissenschaft
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernStarke Kopplung

Kurioserweise muss für den Effekt nicht einmal Licht vorhanden sein – dank der Quantenfluktuationen im Vakuum reicht der Hohlraumresonator allein völlig aus, um die Energiezustände des Moleküls zu verändern. Tatsächlich bilden Molekül und Resonator ein gemeinsames Quantensystem mit völlig eigenen Eigenschaften. Anhand einer einfachen Umwandlung eines Moleküls in ein anderes zeigten die Forscher, dass sich dieser gemeinsame Zustand auch chemisch anders verhält als die reinen Moleküle. Dazu schlossen sie einen 90 Nanometer dicken Film mit der Verbindung zwischen zwei Silberspiegel ein, so dass zwischen dem entstehenden Reaktionsprodukt und dem Strahlungsfeld starke Kopplung auftreten sollte.

Tatsächlich zeigte sich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Umwandlung – eigentlich eine Konstante – in diesem Fall nur halb so hoch ist. Wegen des notwendigerweise engen Spalts zwischen den Spiegeln ist noch nicht absehbar, wie man den Mechanismus tatsächlich in der chemischen Praxis nutzen kann. Experten vermuten allerdings, dass die starke Kopplung auch in anderen Strukturen wie photonischen Kristallen auftritt, die für technische Anwendungen geeigneter sind.