Molekulare Kondensate im Visier

       

Mehrere Forschergruppen stellen ultrakalte Gase aus eng gebundenen Molekülen her.

Ultrakalte molekulare Gase sind gegenwärtig ein „heißes“ Forschungsobjekt. Bei dem Versuch, ein molekulares Bose-Einstein- oder Fermi-Kondensat aus fest aneinander gebundenen Atomen herzustellen, liefern sich mehrere Forschungsgruppen ein spannendes Rennen. Jetzt haben drei Teams eine wichtige Hürde genommen und auf unterschiedlichem Wege die Moleküle eines ultrakalten Gases in ihren Grundzustand gebracht.

Das große Interesse an den ultrakalten Molekülgasen beruht unter anderem darauf, dass man an ihnen molekulare Kollisionen und chemische Reaktionen unter nahezu perfekt kontrollierten Bedingungen studieren kann. Zudem könnte an ihnen Molekülspektroskopie mit unerreichter Präzision durchgeführt werden. Mit Bose-Einstein- oder Fermi-Kondensaten aus polaren Molekülen ließen sich neuartige Quantenphasen untersuchen. Doch der Weg dorthin ist beschwerlich, da die bei Atomen so erfolgreich eingesetzte Kühlung mit Laserlicht bei den Molekülen wegen ihrer internen Schwingungs- und Rotationsfreiheitsgrade nicht funktioniert.

Den drei Teams aus Freiburg, Innsbruck und Boulder ist es dennoch gelungen, ein in jeder Hinsicht ultrakaltes Molekülgas herzustellen. Zunächst war das Gas nur in Hinblick auf die Translationsbewegungen der Moleküle ultrakalt, während sich die Moleküle anfangs noch nicht im Rotations- und Schwingungsgrundzustand befanden. Die Forscher benutzen dazu ultrakalte atomare Gase, deren Atome möglichst behutsam zu Molekülen verbunden wurden. Danach überführten sie die Moleküle in ihren Grundzustand. Für beide Schritte wählten sie teilweise unterschiedliche Verfahren.

Abb.: Die schwach gebundenen Feshbach Moleklüle (Bild oben) gelangen durch einen STIRAP Laser Puls in den unteren Rovibrationszustand.  (Bild: Universität Innsbruck)

Matthias Weidemüller und seine Kollegen in Freiburg brachten ultrakalte Lithium- und Zäsiumatome durch Photoassoziation dazu, sich zu polaren LiCs-Molekülen zu verbinden. Dabei lieferte ein Laserphoton die zur Molekülbildung benötigte Energie, ohne die inneren Freiheitsgrade des entstehenden Moleküls anzuregen. Zwar befanden sich die Moleküle zunächst noch nicht im Schwingungs-Rotationsgrundzustand, doch ein erheblicher Teil von ihnen, nämlich 23 %, ging durch Spontanemission in den Grundzustand über. Damit waren die LiCs-Moleküle in jeder Hinsicht ultrakalt. Das Verfahren erlaubt es, die ultrakalten Moleküle kontinuierlich zu erzeugen und anzusammeln.

Einen anderen Weg zur behutsamen Molekülbildung wählten Johannes Hecker Denschlag und seine Kollegen in Innsbruck sowie die Gruppe von Deborah Jin in Boulder. Sie setzten ultrakalte atomare Gase einem starken Magnetfeld aus, das eine sogenannte Feshbach-Resonanz anregte, die dazu führte, dass sich die Atome locker zu Molekülen verbanden. In Boulder waren es polare und zudem fermionische Kalium-Rubidium-Moleküle, während in Innsbruck Rb2-Moleküle hergestellt wurden.

Um die locker gebundenen Feshbach-Moleküle in fest gebundene Moleküle in ihrem Rotations-Schwingungsgrundzustand umzuwandeln, benutzten beide Gruppen das STIRAP-Verfahren (Stimulated Raman Adiabatic Passage). Dabei wird ein Molekül zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz ausgesetzt, die den Ausgangs- und den Endzustand des Moleküls mit einem elektronisch angeregten Molekülzustand koppeln. Auf diese Weise erreichten die Innsbrucker Forscher, dass etwa 87 % der Moleküle in den Grundzustand übergingen. Die Gruppe in Boulder erzielte eine Effizienz von 56 %. In beiden Fälle sollte sich die Effizienz noch deutlich erhöhen lassen.

Die Innsbrucker Forscher hatten ihre Atome und die daraus entstehenden Moleküle in einem Lichtgitter gefangen. Mit dem STIRAP-Verfahren war es ihnen möglich, sowohl die externen wie internen Freiheitsgrade der Moleküle in genau definierte Zustände zu bringen. Alle drei Forschergruppen arbeiten jetzt daran, ihre Molekülgase noch weiter abzukühlen. Durch sympathetisches Kühlen mit ultrakalten Atomen könnten die bosonischen oder fermionischen Moleküle auf Temperaturen im Nanokelvinbereich gebracht werden. Dann würden sie ein Bose-Einstein- oder Fermi-Kondensat aus robusten und fest gebundenen Molekülen bilden – und es würden sich völlig neue Forschungsgebiete eröffnen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

Originalveröffentlichungen:

• J. Deiglmayr et al.: Formation of Ultracold Polar Molecules in the Rovibrational Ground State. Phys. Rev. Lett. 101, 133004 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.133004
  http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.101.133004.pdf (frei!)
• F. Lang et al.: Ultracold Triplet Molecules in the Rovibrational Ground State. Phys. Rev. Lett. 101, 133005 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.133005
  http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.101.133005.pdf (frei!)
• K.-K. Ni et al.: A High Phase-Space-Density Gas of Polar Molecules. Science (online 18.9.2008)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1163861
  http://arxiv.org/abs/0808.2963

Gruppen

• Gruppe von Matthias Weidemüller an der Universität Freiburg:
  http://quantendynamik.physik.uni-freiburg.de/fr_index.html?/homepages
• Gruppe von Rudi Grimm an der Universität Innsbruck:
  http://www.uibk.ac.at/exphys/ultracold/
• Gruppe von Deborah Jin am JILA in Boulder:
  http://jilawww.colorado.edu/~jin/
  

Weitere Literatur:

• Simon Cornish: From atoms to molecules (and back). Physics 1, 24 (2008)
  http://physics.aps.org/articles/v1/24
• Ein ultrakaltes Gas elektrischer Dipole. Pressemitteilung der AG Weidemüller.
  http://quantendynamik.physik.uni-freiburg.de/Mixtures/news/index_de.html
• Quantenphysik: Moleküle im Griff. Pressemitteilung der AG Hecker Denschlag:
  http://www.uibk.ac.at/exphys/ultracold/projects/rubidium/groundstate/press.html
  

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