Kälterekord für lasergekühlte Moleküle

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.

Grundlage für das neue Verfahren ist eine spezielle Kühl­methode, die auf der Sisyphus-Kühlung auf­baut, mit der sich außer­ordent­lich tiefe Tempe­ra­turen erreichen lassen. Bei der Sisyphus-Kühlung, für deren Vor­schlag Claude Cohen-Tannoudji 1997 den Physik-Nobel­preis erhielt, laufen zwei Laser­strahlen mit ortho­gonal ver­setzter Polari­sa­tion gegen­ein­ander und erzeugen so eine stehende Welle mit einem Polari­sa­tions­gradienten. Atome, die diese Welle durch­laufen, ver­lieren Energie, wenn sie sich gegen den Polari­sa­tions­gradienten bewegen. Durch geschicktes optisches Pumpen, bei dem die Atome von den Poten­zial­maxima in einen nieder­energe­tischen Zustand gebracht werden, lassen sich so Tempe­ra­turen weit unter­halb dessen erreichen, was mit normaler Doppler-Kühlung möglich wäre.

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-Kühl­zyklus zurück­kehren, lassen sich noch­mals sehr viel tiefere Tempe­ra­turen erreichen. Bei alkali­artigen Atomen lässt sich außer­dem ein zweiter Mecha­nismus ein­richten, bei dem geschwin­dig­keits­ab­hängige dunkle Zustände durch Zwei-Photon-Reso­nanzen erzeugt werden. Mit dieser Methode namens „lambda-enhanced gray molasses” lassen sich außer­ordent­lich tiefe Tempe­ra­turen erreichen, die sogar unter­halb des Rück­stoßes eines ein­zelnen Photons liegen.

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-Einstein-Konden­saten erhielt, und Kollegen erst kürz­lich zeigen konnten, lassen sich Kalzium-Mono­flourid-Mole­küle auf diese Weise im freien Raum auf bis zu fünf Mikro­kelvin herunter­kühlen, etwa eine Größen­ord­nung tiefer als mit üblichen Methoden. In optischen Fallen konnten die Forscher auf diese Weise zudem eben­falls etwa um eine Größen­ord­nungen mehr und dichter gepackte Mole­küle unter­bringen. Dabei war es ihnen gelungen, für die 150 gefan­genen Kalzium-Mono­fluorid-Mole­küle eine Tempe­ratur von sechzig Mikro­kelvin sowie eine Dichte von 8 × 10⁷ cm^-3 zu erreichen.

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-Kühlung gestreuten Photonen auf­nahmen, konnte das Forscher­team die Verlust­rate an Mole­külen stark begrenzen. Pro Molekül konnten sie rund 2700 Photonen auf­fangen – etwa zwei­hundert Mal mehr als mit üblichen Methoden. Während dieser Messungen gingen nur rund zehn Prozent der Mole­küle verloren.

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-Mono­fluorid beschränkt, sondern sollte mit einer ganzen Reihe ähn­licher Mole­küle funktio­nieren, die man in eine optische Falle sperrt oder mit Hilfe einer optischen Pinzette mani­pu­liert.

Dirk Eidemüller

RK