Kollisionen in der Lichtzange

Ultrakalte Moleküle sind für eine Vielzahl von Quanten­technologien interessant. Sowohl für Quanten­simulationen und -computing als auch für Präzisions­tests des Standard­modells oder quanten­chemischer Modelle bieten sie hervor­ragende Möglich­keiten. Im Vergleich zu Atomen besitzen sie eine viel komplexere innere Struktur, so dass sich die molekularen Eigen­schaften in Hinsicht auf die gewünschte Frage­stellung gezielt einstellen lassen. Doch auch wenn die Präparation ultra­kalter Moleküle in den letzten Jahren große Fort­schritte gemacht hat, waren sie doch stets schwieriger zu kontrol­lieren als einfachere Systeme wie Atome oder Ionen.

Ein Forscherteam um John Doyle von der Harvard University und Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology hat jetzt eine besondere optische Pinzette vorgestellt, mit der sie einige wenige oder sogar einzelne Moleküle bei sehr tiefen Temperaturen gefangen halten können. Das Spannende an dieser Technik ist vor allem, dass sich einerseits die Quanten­eigen­schaften der fixierten Moleküle hervor­ragend kontrol­lieren lassen, und dass sich anderer­seits genau zwei Moleküle in einer solchen Falle unter­bringen lassen. Das macht es möglich, Kollisionen dieser Moleküle unter genau definierten Bedingungen am quanten­mechanischen Grund­zustand statt­finden zu lassen und damit fundamentale Tests chemischer Reaktionen durch­zu­führen.

Zunächst luden die Forscher etwa 10.000 Kalzium-Monofluorid-Moleküle in eine magneto-optische Falle. Um eine nennens­werte Anzahl dieser Moleküle in die optische Pinzette zu über­führen, war die Molekül­dichte in einer solchen Falle aber noch um Größen­ordnungen zu niedrig. „Dazu mussten wir die Dichte der laser­gekühlten Moleküle deutlich erhöhen, um sie in den mikro­meter­großen Fokus der Pinzette zu laden“, sagt Team-Mitglied Loic Anderegg von der Harvard University.

Hierzu diente zunächst eine optische Dipolfalle, die von einem Laserstrahl mit 1064 Nanometern Wellen­länge erzeugt wurde. Als nächste Stufe folgte dann die optische Pinzette, die die Forscher mit eng fokus­sierten Laser­strahlen der Wellen­länge von 780 Nanometern realisierten. Mit Hilfe von Lambda-Kühlung ließen sich die Kalzium-Monofluorid-Moleküle dabei in den Bereich von einigen Dutzend Mikro­kelvin herunter­kühlen.

Den Pinzetten-Laserstrahl spalteten die Forscher in mehrere Teil­strahlen auf und erzeugten auf diese Weise insgesamt fünf optische Pinzetten, die sie mit Kalzium-Monofluorid-Moleküle beluden. Diese Molekülart besitzt eine wünschens­werte Eigen­schaft, die das Experimentieren mit ihnen erleichtert: Sie lassen sich durch Absorption von Laser­strahlung leicht elektronisch anregen und fallen durch spontane Emission in den Grund­zustand zurück – was eine gute Detektier­barkeit der Moleküle ermöglicht.

Zu Beginn des Experiments war jeweils eine kleine, aber unbekannte Menge von Molekülen in jeder Falle. Mit Hilfe licht­induzierter Kollisionen entfernten die Wissen­schaftler dann schritt­weise Moleküle aus den optischen Käfigen, bis schließlich jeweils nur noch eine Handvoll Moleküle in ihnen enthalten waren. Die Anzahl der Moleküle ließ sich optisch anhand von Fluoreszenz­strahlung bei 606 Nanometern Wellen­länge nachweisen: Teilweise waren die Fallen leer, manche enthielten auch vier oder fünf Moleküle. Im Optimal­fall enthielten sie genau zwei. An diesen konnten die Forscher dann unter perfekt kontrol­lierten Bedingungen molekulare Stöße analysieren.

Damit kann man nicht nur einzelne Moleküle in verschiedenen Quanten­zuständen kontrol­lieren. Auch der Effekt beliebiger externer Felder auf das Verhalten der Moleküle lässt sich so eingehend studieren. Dadurch sollte es einer­seits möglich sein, grund­legende Fragen zu chemischen Reaktionen zu klären und etwa die Vorher­sage­kraft quanten­chemischer Kalkula­tionen unter exakt kontrol­lierten Bedingungen zu prüfen. Anderer­seits können die Forscher dank der präzise einstell­baren experimen­tellen Rahmen­bedingungen auch weitere Optionen wie etwa eine Verdampfungs­kühlung untersuchen. Damit sollten sich noch tiefere Temperaturen erreichen lassen.

Die Methode ist nicht auf diese Molekülart beschränkt, sondern sollte auch auf ganz andere Moleküle anwendbar sein. Die Forscher gehen davon aus, dass sich nicht nur einfache zweiatomige Moleküle, sondern auch sehr viel komplexere Moleküle aus vielen Atomen mit solchen Pinzetten einfangen lassen sollten.

Ein wichtiger Aspekt bei diesen Fallen ist, dass sie sich im Prinzip in beliebigen Geometrien anordnen lassen. Damit ließen sich verschiedene Molekül­sorten in verschiedenen Wechsel­wirkungs­bereichen mitein­ander in Kontakt bringen, was für künftige Anwendungen und insbesondere für Quanten­simulationen sehr interessant ist.

„Indem man die Moleküle polarisiert, sollten sich auch langreich­weitige dipolare Wechsel­wirkungen zwischen den Molekülen herstellen lassen“, sagt Anderegg. Wenn man die optischen Pinzetten geschickt mitein­ander verzahnt, lassen sich so maßge­schneiderte Wechsel­wirkungen zwischen den Molekülen erzeugen, was für Quanten­simulatoren entscheidend ist. In Zukunft wollen die Forscher außerdem ihre gefangenen Moleküle als Plattform für Quantenbits nutzen. Da sich deren Zustände sehr effizient präparieren lassen und da sich zudem das Auslesen dank des inhärent starken Photon­signals einfach gestaltet, könnten sich solche Molekül­fallen als Alternative zu atomaren Qubits erweisen. Dank langer Kohärenz­zeiten bieten sich solche Systeme insbesondere für ein fehler­tolerantes Quanten­computing an.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Anderegg et al.: An optical tweezer array of ultracold molecules, Science 365, 1156 (2019); DOI: 10.1126/science.aax1265
• Harvard Doyle Research Group, Dept. of Physics, Harvard University, Cambridge, USA
• MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms (W. Ketterle), Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA

Weitere Beiträge

• H. Bernien et al.: Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator, Nature 551, 579 (2017); DOI: 10.1038/nature24622