Spintausch im molekularen Eierkarton

Erst vor wenigen Jahren gelang es erstmals, exotische Moleküle tiefgekühlt in einem Gitter aus Laserstrahlen einzufangen. Aufbauend auf diesem Ergebnis untersuchte das Team um Jun Ye und Deborah Jin vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder die quantenphysikalischen Wechselwirkungen zwischen tiefgekühlten, einzelnen Molekülen genauer. Ihre Messungen könnten die Entwicklung von topologischen Isolatoren für spintronische Schaltkreise, die Daten über den Spin von Molekülen verarbeiten, deutlich voran treiben.

Die Wissenschaftler fügten zu einem Bose-Einstein-Kondensat aus etwa 100.000 Rubidium-Atomen ein Fermigas mit 25.000 Kalium-Atomen hinzu. Dabei entstanden etwa 20.000 exotische und stark polare Kaliumrubidium-Moleküle, die sich – wie schon bei früheren Experimenten mit Atomen – in einem dreidimensionalen optischen Gitter aus Laserstrahlen einfangen ließen. Dieses optische Gitter ist mit einem Eierkarton zu vergleichen, in dessen Mulden sich einzelne Moleküle befinden. Über die experimentellen Randbedingungen gesteuert befand sich nun in etwa jeder zehnten Mulde des optischen Gitters ein Kaliumrubidium-Molekül.

Eingefangen in dieser ausgeklügelten Molekülfalle ließen sich nun mit Mikrowellenpulsen die molekularen Spins kontrollieren. Über die Beobachtung des oszillierenden Verhaltens der Molekülspins konnten Jin und Kollegen auf die Wechselwirkung der Spins zueinander zurückschließen. Sie entdeckten einen Austausch von Spinzuständen nicht nur auf das nächste Nachbarmolekül, sondern auch – abhängig von Winkel und Abstand – auf weiter entfernte Moleküle. Dabei traten entsprechend der für polare Moleküle typischen Partialladungen sowohl abstoßende als auch anziehende Wechselwirkungen auf.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt erstmals, wie polare, exotische Moleküle ausschließlich über ihre Spins in Wechselwirkung treten können. Andere, prinzipiell mögliche chemische Reaktionen miteinander ließen sich durch das Einfangen in einem optischen Gitter unterbinden. Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse sehen die Wissenschaftler nun bessere Möglichkeiten, bisher unbekannte Materialien entwickeln zu können. Im Fokus stehen dabei molekulare Ensembles, die sich für Versuche in der Quanteninformation oder für spintronische Schaltkreise eignen.

Jan Oliver Löfken

AH