Supercoole Moleküle

Ein spanisch-deutsches Forscherteam ist nach Simulationen der Meinung, dass sich die Technik der Laserkühlung direkt auf Moleküle übertragen lässt.

Für den Nachweis des Bose-Einstein-Kondensats gab es 2001 den Nobelpreis. In diesem Materiezustand befinden sich Atome am absoluten Temperatur-Nullpunkt, also Null Kelvin oder –273 Grad Celsius. Dieser Durchbruch gelang dank der Kühlung durch Laserlicht, für deren Entwicklung vier Jahre zuvor der Nobelpreis verliehen wurde. Mittlerweile wir die Laserkühlung als äußerst effektives Werkzeug für atomare Gase genutzt und bei Experimenten eingesetzt, in denen kalte Atome unter anderem für Präzisionsmessungen verwendet werden. Doch bislang konnten nur Atome entsprechend abgekühlt werden. Wie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichtet, ist nun ein internationales Forscherteam, dem auch Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie und Biochemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München angehört, der Meinung, dass die Technik sich auch direkt auf Moleküle übertragen lassen sollte. Auf diesem Weg könnten dann Einblicke in die innere Struktur von Molekülen sowie die Abläufe chemischer Reaktionen gewonnen werden. Denkbar ist auch, dass bei derart tiefen Temperaturen neuartige Interaktionen und Effekte auftreten.

Nicht nur Atome bei Tiefsttemperatur, auch ultrakalte Moleküle sind für die Forschung außerordentlich interessant. Doch bislang galt es als nahezu oder sogar ganz ausgeschlossen, diese komplexen Strukturen optisch zu kühlen. Denn Moleküle setzen sich aus mehreren Atomen zusammen und zeigen damit nicht nur eine äußere Bewegung, sondern auch innere Freiheitsgrade, etwa Schwingungen und Rotationen. Und Kühlung bedeutet nichts anderes als die Verlangsamung von Bewegung. „Durch die inneren Freiheitsgrade entstehen unerwünschte Heizeffekte“, so de Vivie-Riedle. Die lassen sich aber nicht ohne Weiteres verhindern. So konnten bislang nur einzelne Atome stark abgekühlt und dann nahe am Nullpunkt zu Molekülen verbunden werden. Schon diese ersten Erfolge erlaubten wichtige Einblicke in die innere Bindung von Molekülen.

Die neu entwickelte Methode könnte jetzt das Spektrum erweitern. Denn damit können die Bewegung von Molekülen durch den Raum sowie deren Schwingungs- und Rotationsbewegung gleichzeitig gekühlt werden. Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Kombination aus Laserlicht und einem optischen Resonator, der aus zwei hochwertigen Spiegeln besteht. In deren Zwischenraum können alle Zustände eines Moleküls gezielt mithilfe der hochpräzisen Laser kontrolliert und so die Bewegungen auf ein Minimum reduziert werden. Die Ergebnisse basieren auf hochmodernen quantenchemischen Simulationen für ein Testmolekül, das so genannte OH-Molekül. „Sie zeigen, dass in Sekundenbruchteilen Schwingung und Rotation im OH-Molekül vollständig gekühlt werden können“, so de Vivie-Riedle. „Gleichzeitig erfolgt die Kühlung der externen Bewegung auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin. Unser Ansatz eröffnet neue Perspektiven für die Präparation und Kontrolle ultrakalter komplexer Systeme.“

Quelle: LMU

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Giovanna Morigi, Pepijn W.H. Pinkse, Markus Kowalewski und Regina de Vivie-Riedle, Cavity cooling of internal molecular motion, Phys. Rev. Lett. 99, 073001 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.073001
  http://xxx.arxiv.org/abs/quant-ph/0703157 (Preprint)
• Regina de Vivie-Riedle, Department Chemie und Biochemie der LMU:
  http://www.cup.uni-muenchen.de/pc/devivie/index.html
• Ludwig-Maximilians-Universität München:
  http://www.uni-muenchen.de