Kältestes Molekülgas der Welt erzeugt

Ultrakalter Rekord: Forschern ist es erstmals gelungen, eine Wolke aus Molekülen auf nur 50 Milliardstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt herunterzukühlen. Bisher war dies nur mit Einzelatomen erreicht worden. Die rund 25.000 Kalium-Rubidium-Moleküle gerieten durch die Kühlung in einen Zustand, in dem Quanteneffekte ihr Verhalten dominieren – die Physiker sprechen von einem „degenerierten Quantengas“.

Werden Atome oder Moleküle bis auf extrem niedrige Temperaturen heruntergekühlt, beginnen sie ein exotisches Verhalten zu zeigen. Denn statt der klassischen Physik dominieren nun Quanteneffekte. Als Folge wird beispielweise Helium zu einer Flüssigkeit ohne jeden Widerstand und Atome werden zum Bose-Einstein-Kondensat – sie reagieren kollektiv wie ein einziges Riesenatom. Sogar Lichtteilchen lassen sich in solchen ultrakalten Atomwolken zu einer Art Bindung bringen.

Doch was bei Atomen fast schon routinemäßig gelingt, ist bei Molekülen deutlich schwieriger. „Die zusätzlichen Freiheitsgrade in der Rotation und Vibration machen Moleküle erheblich komplexer und ihre Kühlung auf ultrakalte Temperaturen zu einer echten Herausforderung“, erklären Jun Ye vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder und sein Team. Bisher gelang es Wissenschaftlern maximal, eine hundert bis tausend Moleküle auf 250 bis 600 Nanokelvin herunterzukühlen.

Atomwolken mit Magnetfeldern und Lasern manipuliert

Jetzt jedoch haben Ye und sein Team diesen bisherigen Rekord um ein Vielfaches unterboten. Für ihr Experiment sammelten die Forscher zunächst rund eine Milliarde Rubidiumatome und 70 Millionen Kaliumatome in einer magneto-optischen Falle. Die durch Laser und Magnetfelder fixierten Atomwolken wurden durch Laserkühlung bis auf knapp über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Dann bestrichen die Forscher diese Atomwolken mit einem Magnetfeld, das die Atome dazu brachte, schwach gebundene Moleküle aus je einem Kalium- und einem Rubidiumatom zu bilden.

Dann folgte der entscheidende Schritt: Die schwach gebundenen Moleküle wurden mit zwei Lasern bestrahlt, deren Frequenz eine Resonanz mit zwei Energiesprüngen in den Molekülen erzeugte. Dies brachte die Moleküle in eine engere Bindung und in den Grundzustand – den Zustand der niedrigsten Energie. Dadurch gelang es Ye und seinem Team, erstmals eine größere Menge Moleküle bis auf wenige Milliardstel Kelvin über den absoluten Nullpunkt herunterzukühlen.

Ein degeneriertes Quantengas

Das Ergebnis ist ein Gas, dessen rund 25.000 Kalium-Rubidium-Moleküle bis auf nur 50 Nanokelvin heruntergekühlt sind. Die Moleküle befinden sich damit in einem Zustand, in sie stärker von Quanteneffekten beeinflusst werden als von den klassischen Regeln der Chemie oder Physik. Wie die Forscher berichten, liegt die Temperatur der Molekülwolke um das 0,3-Fache unter der sogenannten Fermi-Temperatur – der Grenze, ab der die Quanteneffekte dominieren.

Als Folge reagieren die ultrakalten Moleküle „degeneriert“: Sie halten einen größeren Abstand voneinander als normal und auch ihre Quantenzustände sind verändert. „Dies ist das erste degenerierte Quantengas aus einer stabilen Molekülmenge“, sagt Ye. „Wir beobachten, dass darin chemische Reaktionen unterdrückt sind – das ist ein Ergebnis, das niemand erwartet hätte.“

Wertvolle Einblicke – und mögliche Anwendungen

Die Produktion dieses ultrakalten Molekülgases ist aber nicht nur ein neuer Rekord – es könnte auch wichtige Einblicke in chemisch-physikalische Prozesse und das Verhalten von Molekülen liefern, wie die Forscher erklären. Denn die Tatsache, dass die Kalium-Rubidium-Moleküle polar sind, ermöglicht es, sie im ultrakalten Zustand besonders gut zu kontrollieren. Der Grund: Weil sich in diesen Molekülen Teilladungen ausbilden, reagieren sie auf elektrische Felder.

In Zukunft könnten solche ultrakalte Molekülgase sogar neue Anwendungen ermöglichen, beispielweise neuartige Moleküluhren oder neue Arten von Quantenbits für künftige Quantencomputer. (Science,2019; doi: 10.1126/science.aau7230)

Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST)