Kalte Moleküle auf Kollisionskurs

Wie verlaufen chemische Reaktionen bei extrem tiefen Tempe­ra­turen? Um diese Frage zu beant­worten, benötigt man mole­kulare Proben, die gleich­zeitig kalt, dicht und lang­sam sind. Wissen­schaftler um Martin Zeppen­feld vom MPI für Quanten­optik in Garching haben jetzt mit einer neuen Kühl­technik einen ent­schei­denden Schritt in diese Rich­tung gemacht. Ihre Kryo­fuge kombi­niert kryo­tech­nische Puffer­gas-Kühlung mit einer spezi­ellen Zentri­fuge, in der die bereits vor­ge­kühlten dipo­laren Mole­küle mit Hilfe von rotie­renden elek­trischen Feldern auf Geschwin­dig­keiten von weniger als zwanzig Meter pro Sekunde abge­bremst werden. Da gleich­zeitig hohe Fluss­dichten erzielt wurden, gelang es dem Team, Stöße zwischen den kalten Mole­külen zu beob­achten. Für zwei aus­ge­wählte Ver­bin­dungen mit aus­ge­prägtem Dipol­charakter wurden so Kolli­sions­wahr­schein­lich­keiten in Abhän­gig­keit von Geschwin­dig­keit und Fluss­dichte bestimmt. Das neue Ver­fahren könnte die Mög­lich­keit bieten, chemische Reak­tions­wege bei extrem tiefen Tempe­ra­turen zu kon­trol­lieren und zu mani­pu­lieren.

Die Erzeugung von kalten Molekülen stellt eine große tech­nische Heraus­forde­rung dar. Denn die bei Atomen hoch­effi­ziente Laser­kühlung funk­tio­niert im All­ge­meinen nicht, weil Mole­küle neben den elek­tro­nischen Energie­niveaus noch Vibra­tions- und Rota­tions­zu­stände besitzen. Aller­dings ist bei vielen Mole­külen die elek­trische Ladung un­symme­trisch ver­teilt. Mole­küle mit einem derart aus­ge­prägten Dipol­charakter lassen sich durch elek­trische Felder beein­flussen und somit auch ab­bremsen.

Das Team hantiert vor allem mit den Verbindungen Fluor­methan und deute­riertem Ammo­niak. Die Mole­küle haben zu Beginn des Experi­ments eine Tempe­ratur von zwei­hundert Kelvin und eine Geschwin­dig­keit von mehreren hundert Metern in der Sekunde. Sie werden zunächst in einer Kupfer­box, die mit Helium- oder Neon-Gas gefüllt ist, auf 6 Kelvin (Helium) oder 17 Kelvin (Neon) gekühlt. Bei Aus­tritt aus der Box haben sie nur noch eine Geschwin­dig­keit von fünfzig bis hundert Metern in der Sekunde. „Für uns kommt es aber nicht nur auf die Geschwin­dig­keit an“, betont Zeppen­feld. „In Hin­blick auf die Stoß­pro­zesse, die wir an den Mole­külen beob­achten möchten, ist es für uns ent­schei­dend, dass – wie wir durch Kontroll­messungen nach­weisen können – durch den Kühl­pro­zess auch die internen Zustände gekühlt sind. Die Mole­küle sind also nur in wenige und nied­rige Rota­tions- bzw. Vibra­tions­zustände an­geregt.“

Über einen Quadrupol-Leiter werden die Moleküle zu dem zweiten Teil der Kühl­anord­nung, der Zentri­fuge, geleitet. „Dabei können wir über die an den Elek­troden liegende Gleich­spannung die Tiefe des Führungs­poten­zials steuern, und damit auch, wie hoch die Dichte der Mole­küle in dem Strahl ist“, erklärt Team-Mitglied Thomas Gantner. „Je höher die Spannung, desto größer die Dichte. Diese Kontroll­mög­lich­keit ist wichtig, um in der anschli­eßenden Messung den Ablauf der Stoß­pro­zesse zwischen den Mole­külen besser zu ver­stehen.“

In der Zentrifuge zirkulieren die Moleküle zunächst in einem äußeren Speicher­ring mit einem Durch­messer von vierzig Zenti­metern, der aus zwei statischen und zwei rotie­renden Elek­troden besteht. Von dort sammelt ein sich drehender Quadrupol-Leiter die Mole­küle an einem belie­bigen Punkt ein und führt sie ent­lang seiner nach innen spiral­förmig gebo­genen Struktur in die Mitte zur Dreh­achse. Die elek­trischen Felder zwingen die Moleküle also, sich ins Zentrum der Scheibe zu bewegen. Dabei müssen sie ständig gegen die nach außen drückende Zentri­fugal­kraft des mit dreißig Hertz rotie­renden Quadrupol-Leiters arbeiten und werden konti­nuier­lich ab­gebremst.

Bei Austritt aus der Zentrifuge werden die Moleküle über einen langen graden Quadrupol-Leiter zu einem Massen­spektro­meter gebracht. Dort werden sie hin­sicht­lich ihrer Geschwin­dig­keit analy­siert. „Die Mole­küle befinden sich etwa 25 Milli­sekunden lang in dem Quadrupol-Leiter“, erklärt Gantner das Mess­ver­fahren. „Dabei treten sie mit­ein­ander in Wechsel­wirkung, und in diesen Stoß­pro­zessen gehen Mole­küle ver­loren. Die Ana­lyse mit dem Massen­spektro­meter zeigt uns, dass dies vor allem bei nied­rigen Geschwin­dig­keiten der Fall ist, und dass der Verlust an Mole­külen mit zuneh­mender Dichte des Mole­kular­strahls steigt.“

„Die Beobachtung von molekularen Stößen in diesem Temperaturregime ist ein Meilen­stein für das Gebiet der kalten Chemie“, betont Zeppen­feld. „Denn das Prinzip der Kryo­fuge ist sehr all­gemein und funktio­niert für eine Viel­zahl von dipo­laren Ver­bin­dungen. Wir denken, dass sich damit in Zukunft Experi­mente zu chemischen Reak­tionen mit langen Wechsel­wirkungs­zeiten bei sehr tiefen Tempe­ra­turen reali­sieren lassen.“

Darüber hinaus könnte die Kryofuge die Möglichkeiten für die Forschung mit kalten Mole­külen erheb­lich aus­weiten. So könnte der Strahl kalter und lang­samer Methanol-Mole­küle ideal sein, um zeit­liche Schwan­kungen des Verhält­nisses der Elektron-zu-Proton-Masse zu messen. Diese könnten nach theore­tischen Vor­her­sagen durch die Wechsel­wirkung mit dunkler Materie zustande kommen. Die Kryo­fuge könnte auch als perfekte Quelle in Experi­menten mit laser­kühl­baren zwei­atomigen Mole­külen dienen. Auf der anderen Seite ver­mitteln die Dipole lang­reich­weitige und rich­tungs­ab­hängige Wechsel­wirkungen über Mikro­meter-Distanzen. Das macht kalte polare Mole­küle besonders geeignet für Anwen­dungen in der Quanten­simula­tion oder in Quanten­computern. „Die erst­malige Beob­ach­tung von Stößen in einem kalten Gas aus natür­lich vor­kommenden Molekülen bringt uns auch dem Traum eines komplexen Quanten­gases wie zum Beispiel eines Bose-Einstein-Konden­sats aus Wasser­mole­külen näher“, so Gerhard Rempe, Direktor am MPI für Quanten­optik.

MPQ / RK