Nanokelvin-Mikrowellenkühler für Moleküle
Tieftemperaturrekord aufgestellt - MPQ-Forscher ebnen Weg zu neuen Formen von Quantenmaterie
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Einblick in die Hauptvakuumkamer des NaK-Molekülexperiments (Foto: mpq.mpg.de) |
Garching (pte019/28.07.2022/12:30)
Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) http://mpq.mpg.de haben eine neuartige Mikrowellen-Kühltechnik für molekulare Gase entwickelt. Diese ermöglicht es, polare Moleküle bis auf wenige Nanokelvin, 21 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, abzukühlen.
Verdampfungskühlung genutzt
Die Wissenschaftler haben damit einen neuen Tieftemperaturrekord aufgestellt und ebnen den Weg zu neuen Formen von Quantenmaterie, die bislang experimentell nicht zugänglich waren. Sie haben ein Gas aus Natrium-Kalium-Molekülen (NaK) genutzt, die durch Laserlicht in einer optischen Falle eingesperrt waren. Um das Gas zu kühlen, wurde die sogenannte Verdampfungskühlung eingesetzt.
"Diese Methode funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, wie man es von einer Tasse heißen Kaffees kennt", so MPQ-Forscher Xin-Yu Luo. Im Kaffee stoßen ständig Wasser-Moleküle zusammen und tauschen dabei einen Teil ihrer Bewegungsenergie aus. Kollidieren zwei besonders energiereiche Moleküle, kann eines davon schnell genug werden, um dem Kaffee zu entkommen - es dampft aus der Tasse. Das andere Molekül bleibt mit weniger Energie zurück. So kühlt sich der Kaffee allmählich ab.
Energieschirm bringt Durchbruch
Auf dieselbe Weise lässt sich ein Gas bis auf wenige Nanokelvin abkühlen - milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius. Allerdings: "Besteht das Gas aus Molekülen, müssen diese bei sehr tiefen Temperaturen zusätzlich stabilisiert werden", sagt Luo. Um das zu verhindern, haben die Forscher auf einen Trick gesetzt: die zusätzliche Anwendung eines speziell präparierten elektromagnetischen Feldes, das als energetische Abschirmung der Moleküle dient - und sie am Verfangen und Verklumpen hindert.
"Diesen Energieschirm realisierten wir durch ein starkes, rotierendes Mikrowellenfeld. Das Feld bewirkt eine Rotation der Moleküle mit einer höheren Frequenz", erklärt Luos Kollege Andreas Schindewolf. Kommen sich zwei Moleküle zu nahe, können sie daher zwar Bewegungsenergie austauschen - doch zugleich richten sie sich so zueinander aus, dass sie sich abstoßen und rasch wieder voneinander entfernen.
Um ein Mikrowellenfeld mit den erforderlichen Eigenschaften zu erzeugen, platzierten die Forscher eine schraubenförmige Antenne unter der optischen Falle mit dem Gas aus Natrium-Kalium-Molekülen. "Die Rate, mit der sich die Moleküle ineinander verhakten, wurde dadurch um mehr als eine Größenordnung reduziert", berichtet Xin-Yu Luo. Zudem entstand unter dem Einfluss des Feldes eine starke und weitreichende elektrische Wechselwirkung zwischen den Molekülen.
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