Manipulierte Moleküle

  • 08. June 2016

Quantenzustand von ultra­kalten Mole­külen präzise kon­trolliert.

Die exakte Kontrolle über den Quantenzustand von Molekülen steht auf dem Wunsch­zettel vieler Forscher ganz weit oben. Kalte Moleküle lassen sich für eine ganze Reihe neuer techno­logischer Anwen­dungen und physi­ka­lischer Grund­lagen­forschung ein­setzen. Im Gegen­satz zu Atomen können sie ein großes Dipol­moment besitzen und sich dadurch über größere Distanzen wechsel­seitig beein­flussen. Das macht kalte Moleküle insbe­sondere für Präzisions­messungen physi­ka­lischer Konstanten und für die Quanten­infor­mations­ver­arbeitung inte­ressant. Man könnte mit ihnen sogar neu­artige dipolare Quanten­materie erzeugen oder zustands­ab­hängige chemische Reaktionen durch­führen. Ein spannendes Anwendungs­gebiet ist auch die Simulation komplexer Quanten­systeme, wie etwa für die Hoch­temperatur-Supra­leitung.

Molekülspektren

Abb.: Moleküle besitzen ein reiches Spektrum an Vibrations-, Rotations- und Hyper­fein-Zuständen. Forschern gelang es nun, exakte, kontrol­lierte Über­gänge nahe am abso­luten Grund­zu­stand zu realisieren. (Bild: A. Stone­braker / APS)

Die exakte Quanten-Kontrolle von Molekülen hat bislang aber stark mit der Komplexität ihres Spektrums zu kämpfen. Im Gegen­satz zu ultra­kalten Atomen, die man in den letzten Jahr­zehnten gut in den Griff bekommen hat, besitzen Moleküle ein um Größen­ordnungen reich­halti­geres Spektrum. Zu diesem zählen nicht nur elek­tronische, sondern auch Rotations- und Vibrations­zustände, gepaart mit der Struktur der Hyper­fein- und Zeeman-Auf­spaltungen. Forschern um Martin Zwier­lein vom Massa­chusetts Institute of Techno­logy ist es nun gelungen, Moleküle aus Natrium-23 und Kalium-40 mit uner­reichter Präzision kohärent zu kontrollieren.

Die Wissenschaftler sperrten hierzu zunächst ein spin­polari­siertes Ensemble fermio­nischer NaK-Moleküle in einer optischen Falle ein und brachten sie in den absoluten Grund­zu­stand. Hierzu nutzten sie eine Technik, die in ähnlicher Form bereits aus anderen Experi­menten in den letzten Jahren an Kalium-Rubidium-Molekülen bekannt ist. Bei diesen früheren Experi­menten lagen die Moleküle aber in einem optischen Gitter vor, was zwar einer­seits die Kontrolle erleich­tert, jedoch anderer­seits gegen­über einer Molekül­wolke unvor­teil­haft ist, wenn man etwa Konden­sations­phänomene unter­suchen will. Denn bis­lang ist nur in einer Gas­wolke die Phasen­raum­dichte hierfür groß genug.

Das Molekül-Ensemble bestand aus etwa zweitausend NaK-Molekülen, die die Forscher mit Teilchen­dichten von bis zu 5 × 1010 cm−3 ein­sperren konnten. Mit Hilfe von Magnet­feldern und Laser­pulsen brachten Zwier­lein und Kollegen das Ensemble bei einer Temperatur von nur drei­hundert Nano­kelvin in den abso­luten Grund­zustand.

Nun konnten die Forscher die untersten Rotationszustände unter­suchen. So war bisher zum Beispiel nicht bekannt, ob Über­lagerungs­zustände in einem ange­regten Rotations­zustand ähnliche Lebens­dauern besitzen wie im Grund­zustand. Wieviel komplexer als der Umgang mit Atomen die Arbeit mit kalten Molekülen ist, lässt sich schon an der Zahl der Hyper­fein-Zustände ablesen: Im Rotations-Grund­zustand besitzt ein simples Molekül wie NaK immerhin 36 Hyper­fein-Zustände – im nächst­an­ge­regten Rotations­zustand mit J=1 sind es schon 108 Hyper­fein-Zustände!

Um einen Weg durch diesen Dschungel an Zuständen zu finden, mussten die Forscher sich Schritt für Schritt eine Land­karte erstellen. Sie taten dies, indem sie abwech­selnd theore­tische Vorher­sagen und experi­mentelle Werte zu den verschie­denen Reso­nanzen bei wechselnden externen magne­tischen und elek­trischen Feldern verglichen. Dank dieser auf­wändigen Arbeit konnten die Forscher die Moleküle in die gewünschten Zustände diri­gieren. Mit Hilfe eines Mikro­wellen­pulses konnten sie etwa das Ensemble aus dem Grund­zustand in einen Zustand mit J=1 befördern. Ein zweiter Puls brachte es wieder auf J=0, aller­dings je nach Wunsch in einem anderen Hyper­fein-Zustand. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler Super­positionen von Hyper­fein-Zuständen im Rotations-Grund­zustand erzeugen, was vor allem für die Quanten­infor­mations­ver­arbeitung sehr interessant ist. Dies ließ sich mittels Rabi-Oszil­lationen einstellen.

Um wohldefinierte Dipole zu erzeugen, sind insbesondere Über­lagerungen von Rotations­zuständen erwünscht. Damit lassen sich die Wechsel­wirkungen zwischen den Molekülen gut einstellen, was für Quanten­simula­tionen sehr vorteil­haft wäre. Wie die Forscher am MIT heraus­fanden, ist die Lebens­dauer der Zustände im ersten ange­regten Rotations­zustand erstaun­lich lange und beträgt mit etwas über 3 Sekunden fast soviel wie im Grund­zustand mit gut 4,5 Sekunden. Das verdankt sich den niedrigen Temperaturen und dem dement­sprechend schwachen Einfluss von Kollisionen. Zugleich ermutigt es weiter­führende Unter­suchungen, denn so lang­lebige Zustände sind der Schlüssel für viele Anwendungen.

In Zukunft wollen die Forscher verstärkt versuchen, die Dipol-Dipol-Wechsel­wirkungen in ihrem Molekül­gas gezielt einzu­stellen. Damit ließen sich etwa komplexe Quanten­zustände simu­lieren, wie sie in Hoch­temperatur-Supra­leitern auftreten. Außerdem planen die Wisse­nschaftler, sich für ihre Moleküle die Verdampfungs­kühlung zunutze zu machen und dadurch nach Möglich­keit ein Kondensat zu erzielen. Für kalte Atom­wolken ist die Verdampfungs­kühlung bislang das Mittel der Wahl, um Phasen­raum­dichten zu erzielen, wie sie mit optischen Methoden nicht zu­gäng­lich sind.

Dirk Eidemüller

RK

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer