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Kälterekord für polare Moleküle

Neuartige Mikrowellen-Kühltechnik kühlt Moleküle erstmals bis auf 21 Nanokelvin

Kühltechnik
Ein neuer Mikrowellen-"Kühlschrank" kann polare Moleküle erstmals bis auf wenige Nanokelvin herunterkühlen. © Christoph Hohmann, MCQST/MPQ

Forscher haben einen neuen Kälterekord aufgestellt: Erstmals kühlten sie ein Gas aus polaren Molekülen bis auf 21 Nanokelvin ab – wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Möglich wurde dies dank einer neu entwickelten Kühltechnik, bei der die Moleküle einem rotierenden Mikrowellenfeld ausgesetzt und zu Zusammenstößen gebracht werden. Dabei verlieren sie Energie und kühlen sich ab. Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten, exotische Materiezustände zu erzeugen und zu erforschen, wie das Team in „Nature“ berichtet.

Nahe am absoluten Nullpunkt beginnt Materie, sich ungewöhnlich zu verhalten und neue, exotische Zustände anzunehmen: Atome werden zum Bose-Einstein-Kondensat und verhalten sich wie in einziges Riesenatom. Oder sie verwandeln sich in einen Suprafestkörper, bei dem das Material superflüssig und kristallartig geordnet zugleich ist. Sogar Lichtteilchen nehmen unter ultrakalten Bedingungen neuartige Zustände ein.

Experiment
Einblick in die Haupt-Vakuumkamer des Mikrowellen-„Kühlschranks“. © Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Das Problem der polaren Moleküle

Um ein Material auf die nötigen Tiefsttemperaturen abzukühlen, nutzen Wissenschaftler meist die Laserkühlung. Dabei bremst ein Laser die Eigenbewegung der Teilchen so weit ab, dass sie fast stillstehen. Physikalisch entspricht dieser energiearme Zustand dann einer extremen Kälte. Doch eine Sorte von Teilchen ist mit den gängigen Methoden nur schwer ins ultrakalte Regime zu bringen: polare Moleküle.

Diese Moleküle haben eine komplexere Struktur als Atome und zusätzlich eine ungleichmäßige elektrische Ladungsverteilung, die ihre Interaktionen untereinander stark beeinflusst. Dadurch lassen sich ihre Bewegungen nur schwer kontrollieren. „Sie verhalten sich wie winzige Magnete und können wie diese zusammenbacken, wodurch sie für das Experiment verlorengehen“, erklärt Erstautor Andreas Schindewolf vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching.

Kühlung durch Kollision

Jetzt haben Schindewolf und seine Kollegen eine Kühltechnik entwickelt, die diese Probleme umgeht. Grundlage ist ein Verfahren, das sich zum Kühlen von Atomen bewährt hat: die Verdampfungskühlung. Dabei werden Moleküle beispielsweise durch elektrische Wechselfelder dazu gebracht, miteinander zu kollidieren. Dabei tauschen sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie aus. Im Idealfall nimmt ein Partner dabei viel Energie auf und wird weggeschleudert, der andere jedoch bleibt mit weniger Energie zurück – und kühlt sich so ab.

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Das Problem jedoch: Als kühlend wirken bei der Verdampfungskühlung nur sogenannte elastische Kollisionen. Polare Moleküle neigen aber dazu, unter Verdampfungskühlung vorwiegend inelastisch zu kollidieren und zu „verklumpen“. Dies dämpft den Kühleffekt erheblich.

Rotierende Mikrowellen als Stabilisator

Um dies zu vermeiden, nutzen die Forscher bei ihrer neuen Mikrowellen-Kühltechnik einen zusätzlichen Stabilisator, der die unerwünschten Kollisionen im Molekül-Gas verhindert. Der Trick dabei: Ein rotierendes Mikrowellenfeld dient als energetische Abschirmung der Moleküle und bringt sie in Rotation. Dadurch können sie bei Kollisionen zwar Bewegungsenergie austauschen, stoßen sich dabei aber ab und können so nicht verhaken und verklumpen.

Im Experiment testen die Physiker das Verfahren mit einem Gas aus Natrium-Kalium-Molekülen (NaK), die mittels Laserlicht in einer optischen Falle eingesperrt waren. Unter dieser Molekülfalle erzeugte eine schraubenförmige Antenne ein rotierendes, zirkulär polarisiertes Mikrowellenfeld. Dieses fördert elastische Dipol-Kollisionen im Quantengas, unterdrückt aber die inelastischen Kollisionen in allen drei Dimensionen, wie das Team berichtet.

Nature-Titelblatt
Die neue Kühltechnik schaffte es sogar auf das Cover der aktuellen „Nature“-Ausgabe. © Nature

21 Nanokelvin – ein neuer Rekord

Das Ergebnis: „Die Rate, mit der sich die Moleküle ineinander verhakten, wurde dadurch um mehr als eine Größenordnung reduziert“, berichtet Seniorautor Xin-Yu Luo vom MPQ. „Sie stießen infolgedessen viel häufiger zusammen als ohne das rotierende Mikrowellenfeld – im Schnitt rund 500-mal pro Molekül. Das genügte, um das Gas durch den Verdampfungseffekt bis dicht an den absoluten Nullpunkt zu kühlen.“

Konkret gelang es dem Team dadurch, ihr Gas aus polaren Molekülen bis auf rund 21 Nanokelvin abzukühlen – 21 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Für polare Moleküle ist dies ein neuer Rekord. Noch wichtiger aber: Die Moleküle wurden dadurch deutlich unter die kritische „Fermi-Temperatur“ heruntergekühlt. Sie markiert die Grenze, ab der Quanteneffekte das Verhalten eines Gases bestimmen – und exotische Zustände und Phänomene auftreten.

„Beginn einer aufregenden Zeit“

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet ihre Kühltechnik damit ganz neue Möglichkeiten, Quanteneffekte auch bei polaren Molekülen zu erforschen. „Das Feld der ultrakalten polaren Moleküle steht am Beginn einer aufregenden Zeit“, konstatieren Schindewolf und seine Kollegen. Die Kühlung per Mikrowellenfeld erschließe nicht nur exotische Materiezustände wie Suprafluidität oder Suprasolidität, sie könne überdies in Quantentechnologien nützlich sein.

„Da die neue Kühltechnik so simpel ist, dass sie sich auch in die meisten experimentellen Aufbauten mit ultrakalten polaren Molekülen integrieren lässt, dürfte die Methode bald eine breite Anwendung finden – und zu etlichen neuen Erkenntnissen beitragen“, sagt Koautor Immanuel Bloch vom MPQ. Die Forscher sind zudem überzeugt, dass sie durch technische Verfeinerungen des experimentellen Aufbaus sogar noch zu weit tieferen Temperaturen gelangen können. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04900-0)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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