Quantengas von
tief gebundenen Molekülen

ultracold.atoms
Institut für Experimentalphysik,
University of Innsbruck, and
IQOQI
Austrian Academy of Sciences,
Innsbruck, Austria

 

Danzl et al., "Quantum Gas of Deeply Bound Ground State Molecules", Science, Vol. 321., no. 5892, pp. 1062 - 1066 DOI: 10.1126/science.1159909, 22 August 2008, originally published in Science Express on 10 July 2008.

Erfolgsgeschichte: Laserkühlung von Atomen

Die Fähigkeit, Atome mit Hilfe von Laserstrahlen auf Temperaturen von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt (-273,150C) zu kühlen, hat unser Verständnis von den fundamentalen Eigenschaften der Materie, wie sie durch die Quantenmechanik beschrieben werden, revolutioniert. Auf technologischer Seite liefern lasergekühlte Atome die Definition unserer Zeiteinheit, der Sekunde, und schaffen Zeitstandards für die moderne Kommunikation. Werden Teilchen in einer Falle so weit gekühlt, daß die quantenmechanischen Wellenfunktionen, die die Teilchen beschreiben, zu überlappen beginnen, spricht man von einem Quantengas. Schwingen alle quantenmechanischen Wellenfunktionen der Einzelteilchen in perfektem Gleichtakt, entsteht ein Bose-Einstein Kondensat (BEC), in dem Hunderttausende oder gar Millionen Einzelteilchen eine einzige quantenmechanische "Super"-Wellenfunktion bilden.

Und Moleküle?

Moleküle weisen im Vergleich zu Atomen eine wesentlich reichhaltigere innere Struktur auf. Schon in einem zweiatomigen Molekül können die beiden Atomkerne eine Schwingungsbewegung gegeneinander ausführen und eine Rotationsbewegung zeigen. Dies macht sie für eine Reihe fundamentaler Untersuchungen interessant. Viele Forschergruppen weltweit arbeiten derzeit fieberhaft daran, den gleichen Grad der quantenmechanischen Kontrolle, wie man ihn über Atome hat, auch für Moleküle zu erreichen. Gerade aber die interne Struktur macht es besonders schwierig, Moleküle zu kühlen. Bose-Einstein Kondensation von Molekülen indem man sie direkt von Raumtemperatur ausgehend kühlt, scheint derzeit vollkommen außer Reichweite.

Kann man davon profitieren, dass Atome so gut kontrollierbar sind?

Der wesentliche Trick besteht darin, zunächst Atome zu kühlen und zur Bose-Einstein Kondensation zu bringen. Im Anschluss daran fügt man durch eine Magnetfeldrampe jeweils zwei Atome in diesem BEC zu einem sehr schwach gebundenen Atompaar zusammen. Diese Technik wurde erstmals 2003 umgesetzt. Aus Sicht des Molekülphysikers handelt es sich bei einem solchen Paar um ein Molekül, das sich im höchsten angeregten Schwingungszustand befindet. Die schwach gebundenen Atompaare sind allerdings keine stabilen Moleküle, wie dies für viele Untersuchungen notwendig ist. Bei einem Stoß zwischen zwei solch schwach gebundenen Paaren können große Mengen an innerer Energie abgegeben werden, was mit einer Änderung des internen Zustands einher geht und zum Verlust der Teilchen aus der Falle führt. Eine Bose-Einstein Kondensation dieser Atompaare ist somit ausgeschlossen.

Transfer zu tief gebundenen Molekülzustdnden

Die vorliegende Arbeit zeigt erstmals, daß es möglich ist, im Quantengasregime die Atompaare vom höchsten Schwingungszustand in tief gebundene Zustdnde zu überführen. Dies wird mit Hilfe von zwei Lasern kohdrent, d.h. mit voller quantenmechanischer Kontrolle, erreicht. Weil hier zwei Lichtteilchen oder Photonen involviert sind, spricht man von einem Zwei-Photonen Übergang. Ein erster Laser hebt ein Elektron in einen angeregten Zustand, während der zweite Laser das Elektron wieder in den elektronischen Ausgangszustand befördert, aber gleichzeitig noch einen wesentlichen Teil der Schwingungsenergie des Moleküls abführt. Beim resultierenden Molekülzustand handelt es sich nicht mehr um ein schwach gebundenes Atompaar, sondern vielmehr um ein chemisch fest gebundenes Molekül. Zur Anwendung kommt hierbei eine Technik, genannt STIRAP (Stimulated Raman Adiabatic Passage), die es ermöglicht, die Moleküle mit extrem hoher Effizienz in den tief gebundenen Zustand zu überführen, ohne den angeregten Zustand wirklich zu bevölkern. Dieser Transfer funktioniert, ohne das molekulare Gas zu heizen, d.h. ohne den Quantengascharakter zu zerstören, wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden konnte.

Produktion eines Quantengases von tief gebundenen Molekülen. Schwach gebundene Atompaare werden in einem atomaren BEC durch eine Magnetfeldrampe erzeugt. Im entscheidenden Schritt werden diese Atompaare dann zu tief gebundenen Molekülen transformiert, die ein Quantengas bilden.
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Perspektiven

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird es nun möglich sein, mit einem weiteren Zwei-Photonen Übergang den absoluten Grundzustand des Moleküls zu erreichen. Dieser sogenannte rovibronische Grundzustand stellt den niedrigsten aller internen quantenmechanischen Zustdnde in Bezug auf Rotations-, Schwingungs- und elektronischer Energie dar. Da bei einem Stoß zwischen zwei Molekülen im absoluten Grundzustand keine innere Energie in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann, sind diese Moleküle stabil und sollten unmittelbar die Bildung eines molekularen Bose-Einstein Kondensats erlauben.

Tief gebundene Moleküle im Quantengasregime erlauben eine Reihe fundamentaler Studien, die unser Verständnis vom Aufbau der Materie revolutionieren könnten. Für chemische Prozesse wdre im Quantengasregime ein sehr hoher Grad an Kontrolle möglich, sie könnten beispielsweise bosonisch stimuliert ablaufen. Spektroskopische Studien würden von den extrem gut definierten Bedingungen, wie sie bei den ultratiefen Temperaturen im Quantengas herrschen, profitieren. Eine genaue Vermessung der Bindungsenergien im Molekül erlaubt es beispielsweise, einen Rückschluß auf eine eventuelle Zeitabhängigkeit des Verhdltnisses von Elektronen- zu Protonenmasse zu ziehen. Würde sich also herausstellen, daß bestimmte Naturkonstanten gar nicht so konstant sind, wie angenommen, so müßten wir unser derzeitiges Bild vom Universum überdenken.

Unsere Ergebnisse wurden am 10. Juli 2008 auf ScienceExpress publiziert, der "ahead of print" Plattform der Fachzeitschrift Science.

Das Team

Johann G. Danzl, Elmar Haller, Mattias Gustavsson, Manfred J. Mark, Russell Hart, Nadia Bouloufa, Oliver Dulieu, Helmut Ritsch, Hanns-Christoph Nägerl

Diese Experimente wurden vom CsIII Team unter Leitung von Hanns-Christoph Nägerl durchgeführt. Unterstützt wurde das experimentelle Team dabei durch theoretische Berechnungen von Nadia Bouloufa and Olivier Dulieu aus Orsay (Frankreich) und Helmut Ritsch aus Innsbruck.

Das Innsbrucker Team (stehend, v.l.n.r.) Elmar Haller, Johann G. Danzl, Russel Hart, Manfred J. Mark
(im Vordergrund, v.l.n.r.) Mattias Gustavsson, Hanns-Christoph Nägerl

Helmut Ritsch

Olivier Dulieu>

 

Links

Artikel: Science Artikel

Preprint server: arXiv:0806.2284

Presseaussendung: Press release (pdf)

Photos zum Download: ultracold media photos

Finanzierung

Das Experiment wird finanziert durch einen START-Preis des Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung (BMWF) und des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) .

last change: 10-07-08 by JGD