„Coole“ Methode für Molekülphysik
Bei Kollisionen mit Kalziumatomen geben Molekülionen Schwingungsenergie ab und werden so in den Grundzustand gekühlt.
Quantenphänomene lassen sich an Atomen nur umfassend untersuchen, wenn sie fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Diese anspruchsvollen, experimentellen Bedingungen lassen sich über Laserkühlung für Atome gut herstellen. Für Moleküle jedoch stößt diese Methode wegen der Vielfalt an elektronischen Übergängen an ihre Grenzen. Mit einer neuen Methode lassen sich Moleküle durch Kollisionen mit tiefkalten Atomen prinzipiell bis in den Submillikelvin-Bereich kühlen.
Abb.: In der Mitte des Bildes schweben die Kalziumatome in einer Vakuumkammer, während ein Laser sie kühlt. (Bild: UCLA)
Das Team um Eric R. Hudson von der University of California in Los Angeles wählte für seine Experimente Bariumchlorid-Molekülionen, die sie über Laserablation erzeugten. Etwa 1000 dieser Moleküleionen isolierten sie in einer Quadrupol-Ionenfalle. Sie ließen die Ionen durch gegenseitige Kollisionen auf etwa 1000 Kelvin aufgeheizen und erzeugten mit einem Laser über Photodissoziation reine Bariumionen. Mithilfe eines resonant angeregten Übergangs kühlten die Forscher diese mit einem Laser ab. Zusammenstöße der geladenen Moleküle mit den Atomen ergaben einen ersten Kühleffekt bis in den Millikelvin-Bereich.
Tiefere Temperaturen – angegeben in dem Anteil der Ionen, deren Schwingungen sich im energetischen Grundzustand befanden – erreichten Hudson und Kollegen ebenfalls über Kollisionen mit tiefgekühlten Atomen. Doch für diesen zweiten Schritt wählten sie neutrale Kalziumatome, die sie mit einer parallel zur Quadrupolfalle installierten magneto-optischen Falle (MOT) kontrollierten. Ebenfalls über Laser vorgekühlt, kollidierten die Kalziumatome mit den Bariumchlorid-Ionen.
Die hohe Kühlungsrate erklärten die Forscher mit der großen Polarisierbarkeit der Kalziumatome, die zu zahlreichen Zusammenstößen mit möglichst geringen Kollisionsenergien führte. Die Bariumchlorid-Ionen übertrugen bei diesen Stößen etwas von ihrer Schwingungsenergie auf die Kalziumatome. So erhöhte sich bei diesem Experiment der Anteil der Moleküle im Grundzustand von 79 auf etwa 90 Prozent. Die Physiker halten es sogar für möglich, mit weiteren Verbesserungen ihrer Kühlmethode einen Anteil von 99 Prozent zu erreichen.
Der technische Aufwand für die Kühlung von Molekülionen bis in den Sub-Millikelvin-Bereich mag aufwendig klingen, doch einmal installiert vollzieht sich der Kühlprozess sehr schnell – innerhalb von weniger als 100 Millisekunden. Dies Experiment belegt nun, dass diese Art der Molekülkühlung prinzipiell funktioniert. Für weiterführende Experimente im Bereich der Quantenchemie oder der Quanteninformation könnten sich nun viele passende Atome für die kühlenden Kollisionen mit Molekülen finden lassen.
Jan Oliver Löfken
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