Kälterekord für lasergekühlte Moleküle
Hocheffizientes Kühlverfahren ermöglicht Abbildung einzelner Moleküle in optischer Falle.
Vielteilchen-Quantensysteme eignen sich nicht nur hervorragend zum Testen fundamentaler Fragestellungen in der Physik. Sie werden auch zunehmend interessant für die Quanteninformationsverarbeitung und für Quantensimulationen. Die Herstellung und Kontrolle dieser Systeme benötigt üblicherweise sehr tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Für Atome gibt es bereits sehr effektive Kühlverfahren, bei Molekülen gestaltet sich dies jedoch sehr viel schwieriger. Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Wolfgang Ketterle und John Doyle von der Universität Harvard und dem Massachusetts Institute of Technology hat nun ein neues Verfahren entwickelt, das einige Probleme bisheriger Verfahren umgeht. Auf diese Weise konnten sie nicht nur den bisherigen Temperaturrekord für lasergekühlte Moleküle unterbieten, sondern auch ein Abbildungsverfahren an den Molekülen in der optischen Falle demonstrieren, das eine sehr viel höhere Ausbeute an Photonen ermöglicht.
Abb.: Die neue Methode macht es möglich, einzelne Moleküle in optischen Fallen nichtdestruktiv bei tiefsten Temperaturen abzubilden. (Bild: L. Anderegg, Harvard U. / APS)
Grundlage für das neue Verfahren ist eine spezielle Kühlmethode, die auf der Sisyphus-
Bei der „gray molasses” genannten Kühlungsmethode nutzt man darüber hinaus dunkle Zustände in den Atomen oder Molekülen, die sich etwa mit Hilfe zirkular polarisierter Laserstrahlung erzeugen lassen. Wenn man die Kopplung zwischen hellen und dunklen Zuständen nun so einrichtet, dass die kältesten Atome in den dunklen Zuständen gefangen bleiben, während die wärmeren Atome in den Sisyphus-
Die Kühlung von Molekülen ist aber sehr viel schwieriger als die von Atomen, da Moleküle nicht nur eine komplexere elektronische Struktur besitzen, sondern auch noch viele Freiheitsgrade an möglichen Schwingungs- und Rotationszuständen aufweisen, die noch dazu mit der optischen Falle wechselwirken können. Wie Wolfgang Ketterle, der 2001 den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Erzeugung von Bose-
Diese Werte konnten sie dank einer verfeinerten Kühltechnik nun nochmals deutlich verbessern: In der Falle befanden sich nun 1300 Moleküle bei nur noch zwanzig Mikrokelvin und einer zehnfach höheren Dichte – ein neuer Rekord für Temperatur und Dichte bei lasergekühlten Molekülen.
Üblicherweise nutzt man etwa resonante Fluoreszenzstrahlung, um die gefangenen Teilchen abzubilden. Da die Photonen jedoch über ihren Rückstoß Energie an die Moleküle abgeben, führt dies zu einer Erwärmung, die die Moleküle aus der optischen Falle hinaustreiben kann und deshalb destruktiv wirkt. Dank der effizienten Kühlmethode lassen sich diese Verluste aber vermeiden: Indem sie die bei der Lamda-
Damit lassen sich mit einer Aufnahme einzelne Moleküle abbilden. Die Forscher hoffen, dass sich in Zukunft mit den lamdagekühlten Molekülen nicht nur fundamentale Tests der Quantenphysik durchführen lassen. Solche Systeme eignen sich auch zum Studium ultrakalter chemischer Prozesse. Das Verfahren ist auch nicht auf Kalzium-
Dirk Eidemüller
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RK