Neue Methode zur Kühlung von Gasen von polaren Molekülen auf nahezu den absoluten Nullpunkt ebnet den Weg zur Untersuchung von Quanteneffekten exotischer Materieformen
Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine neue Molekulargas-Kühltechnik entwickelt, mit der polare Moleküle auf wenige Nanokelvin heruntergekühlt werden können. Garchings Trickgerät zur Überwindung dieses Hindernisses basiert auf einem rotierenden Mikrowellenfeld. Es hilft, Kollisionen zwischen Molekülen während des Abkühlens zu stabilisieren, indem es einen Energieschild bereitstellt. Auf diese Weise gelang es den Max-Planck-Forschern, ein Gas aus Natrium- und Kaliummolekülen auf 21 Milliarden Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Sie stellten einen neuen Niedrigtemperaturrekord auf. Mit der neuen Technologie können zukünftig viele Formen von Quantenmaterie erzeugt und untersucht werden, die bisher experimentell nicht zugänglich waren.
Eine detaillierte Ansicht der Hauptvakuumkammer des NaK-Molekularexperiments. In der Mitte führen vier Hochspannungs-Kupferdrähte zu einer Ultrahochvakuum-Glasküvette, in der die ultrakalten polaren Moleküle erzeugt wurden.
© MPQ
Eine detaillierte Ansicht der Hauptvakuumkammer des NaK-Molekularexperiments. In der Mitte führen vier Hochspannungs-Kupferdrähte zu einer Ultrahochvakuum-Glasküvette, in der die ultrakalten polaren Moleküle erzeugt wurden.
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Wenn ein sehr verdünntes Gas auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wird, zeigen sich seltsame Eigenschaften. Manche Gase bilden ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, eine Materie, in der sich alle Atome gemeinsam bewegen. Ein weiteres Beispiel ist die Suprasolidität: ein Zustand, in dem sich Materie wie eine glatte Flüssigkeit mit periodischer Struktur verhält. Besonders vielfältige und aufschlussreiche Formen der Quantenmaterie erwarten Physiker bei der Kühlung von Gasen aus polaren Molekülen. Sie zeichnen sich durch eine ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladung aus. Im Gegensatz zu freien Atomen können sie sich drehen, schwingen und sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Es ist jedoch schwierig, molekulare Gase auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlen.
Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching hat nun einen einfachen und effektiven Weg gefunden, dieses Hindernis zu beseitigen. Es basiert auf einem rotierenden Mikrowellenfeld.
Ein Vorgang wie in einer Tasse Kaffee
Für ihre Experimente verwendeten die Forscher ein Gas aus Natrium- und Kaliummolekülen (NaK), die mit Laserlicht in einer optischen Falle eingeschlossen wurden. Zur Kühlung des Gases nutzte das Team ein seit langem erprobtes Verfahren zur Kühlung ungebundener Atome: die sogenannte Verdunstungskühlung. „Diese Methode funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die bekannte Tasse heißen Kaffee“, sagt Xin-Yu Luo, Leiterin des Labors für ultrakalte polare Moleküle in der Abteilung Vielteilchen-Quantensysteme am Max-Planck-Institut für Quantenoptik . : Im Kaffee kollidieren die Wassermoleküle ständig und tauschen einen Teil ihrer Bewegungsenergie aus. Treffen zwei energiereiche Moleküle aufeinander, kann eines schnell genug werden, um dem Kaffee zu entkommen: Es dampft aus der Tasse. Dem anderen Molekül bleibt weniger Energie. Auf diese Weise kühlt der Kaffee allmählich ab. Ebenso lässt sich ein Gas auf wenige Nanokelvin abkühlen: Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt auf minus 273,15 Grad Celsius.
„Besteht das Gas jedoch aus Molekülen, müssen diese bei sehr tiefen Temperaturen zusätzlich stabilisiert werden“, sagt Luo. Der Grund liegt in der deutlich komplexeren Struktur von Molekülen im Vergleich zu ungebundenen Atomen. Dies macht es schwierig, ihre Bewegungen bei Kollisionen zu kontrollieren. Moleküle können aneinander haften bleiben, wenn sie kollidieren. Bei polaren Molekülen kommt hinzu: „Sie verhalten sich wie winzige Magnete und können sich wie diese verklemmen und sind damit für das Experiment verloren“, erklärt Andreas Schindewolf, Forscher bei Xin-Yu Luo Mannschaft. . Diese Schwierigkeiten haben sich in den letzten Jahren als großes Hindernis für die Forschung erwiesen.
Mikrowellen halten Moleküle auf Distanz
Um das Hindernis zu beseitigen, bedienten sich die Garchinger Forscher eines Tricks: der zusätzlichen Nutzung eines speziell präparierten elektromagnetischen Feldes, das den Molekülen als Energieschild dient und verhindert, dass sie aneinander haften und verklumpen. „Wir haben diesen Energieschirm mit einem starken, rotierenden Mikrowellenfeld erzeugt“, erklärt Andreas Schindewolf. „Das Feld bewirkt, dass sich die Moleküle mit einer höheren Frequenz drehen.“ Kommen sich zwei Moleküle zu nahe, können sie kinetische Energie austauschen, sich aber gleichzeitig so ausrichten, dass sie sich abstoßen und schnell bewegen. wieder voneinander entfernt.
Um ein Mikrowellenfeld mit den erforderlichen Eigenschaften zu erzeugen, platzierten die Forscher eine spiralförmige Antenne unter der optischen Falle, die das Gas aus Natrium- und Kaliummolekülen enthielt. „Die Verbindungsgeschwindigkeit der Moleküle wurde um mehr als eine Größenordnung reduziert“, berichtet Xin-Yu Luo. Außerdem entwickelte sich unter dem Einfluss des Feldes eine starke und weitreichende elektrische Wechselwirkung zwischen den Molekülen. „Dadurch kollidierten sie viel häufiger als ohne das rotierende Mikrowellenfeld, im Schnitt etwa 500 Mal pro Molekül“, sagt der Physiker. „Das reichte aus, um das Gas durch den Verdunstungseffekt fast auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen.“
Ein neuer Niedrigtemperaturrekord
Bild eines Natriumlasersystems, das gelbes Licht zur Laserkühlung erzeugt, und Bild von Natriumatomen.
© MPQ
Bild eines Natriumlasersystems, das gelbes Licht zur Laserkühlung erzeugt, und Bild von Natriumatomen.
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Bereits nach einer Drittelsekunde war die Temperatur mit 21 Nanokelvin deutlich unter der kritischen „Fermi-Temperatur“. Sie markiert die Grenze, ab der Quanteneffekte das Verhalten eines Gases bestimmen und seltsame Phänomene wahrnehmbar werden. „Die erreichte Temperatur ist die bisher niedrigste in einem Gas aus polaren Molekülen“, freut sich Luo. Und der Max-Planck-Forscher ist überzeugt, dass sie durch eine technische Perfektionierung des Versuchsaufbaus sogar deutlich niedrigere Temperaturen erreichen können.
Die Ergebnisse könnten weitreichende Konsequenzen für die Erforschung von Quanteneffekten und Quantenmaterie haben. „Da die neue Kühltechnik so einfach ist, dass sie sich auch in die meisten Versuchsaufbauten mit ultrakalten polaren Molekülen integrieren lässt, dürfte die Methode bald breite Anwendung finden und zu einer Reihe neuer Erkenntnisse beitragen“, sagt Immanuel Bloch, Leiter der Abteilung. von Quanten-Vielteilchensystemen. „Denn die Kühlung durch ein Mikrowellenfeld eröffnet nicht nur eine Reihe neuer Untersuchungen zu seltsamen Materiezuständen wie Suprafluidität oder Suprasolidität“, sagt Bloch. “Es könnte auch in Quantentechnologien nützlich sein.” Zum Beispiel in Quantencomputern, wo Daten vielleicht mit ultrakalten Molekülen gespeichert werden könnten. „Dies sind wirklich aufregende Zeiten für Forscher, die sich mit ultrakalten polaren Molekülen beschäftigen“, freut sich I Xin-Yu Luo.