"Supercoole Moleküle" – Neuartige Laserkühlung für komplexe Systeme

Dieser Durchbruch gelang dank der Kühlung durch Laserlicht, was mittlerweile als äußerst effektives Werkzeug für atomare Gase genutzt wird wie auch bei Experimenten, in denen kalte Atome unter anderem für Präzisionsmessungen verwendet werden. Doch bislang konnten nur Atome entsprechend abgekühlt werden.

Wie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichtet, konnte nun ein internationales Forscherteam, dem auch Professor Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie und Biochemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München angehört, die Technik erstmals auch direkt auf Moleküle übertragen. Auf diesem Weg können jetzt Einblicke in die innere Struktur von Molekülen sowie die Abläufe chemischer Reaktionen gewonnen werden. Denkbar ist auch, dass bei derart tiefen Temperaturen neuartige Interaktionen und Effekte auftreten.

Nicht nur Atome bei Tiefsttemperatur, auch ultrakalte Moleküle sind für die Forschung außerordentlich interessant. Doch bislang galt es als nahezu oder sogar ganz ausgeschlossen, diese komplexen Strukturen optisch zu kühlen. Denn Moleküle setzen sich aus mehreren Atomen zusammen und zeigen damit nicht nur eine äußere Bewegung, sondern auch innere Freiheitsgrade, etwa Schwingungen und Rotationen.

Und Kühlung bedeutet nichts anderes als die Verlangsamung von Bewegung. „Durch die inneren Freiheitsgrade entstehen unerwünschte Heizeffekte“, so de Vivie-Riedle. Die lassen sich aber nicht ohne Weiteres verhindern. So konnten bislang nur einzelne Atome stark abgekühlt und dann nahe am Nullpunkt zu Molekülen verbunden werden. Schon diese ersten Erfolge erlaubten wichtige Einblicke in die innere Bindung von Molekülen.

Die neu entwickelte Methode erweitert jetzt das Spektrum. Denn damit können die Bewegung von Molekülen durch den Raum sowie deren Schwingungs- und Rotationsbewegung gleichzeitig gekühlt werden. Das Verfahren beruht auf der Kombination aus Laserlicht und einem optischen Resonator, der aus zwei hochwertigen Spiegeln besteht.

In deren Zwischenraum können alle Zustände eines Moleküls gezielt mit Hilfe der hochpräzisen Laser kontrolliert und so die Bewegungen auf ein Minimum reduziert werden. Die Ergebnisse basieren auf hochmodernen quantenchemischen Simulationen für ein Testmolekül, das so genannte OH-Molekül. „Sie zeigen, dass in Sekundenbruchteilen Schwingung und Rotation im OH-Molekül vollständig gekühlt werden können“, so de Vivie-Riedle.

„Gleichzeitig erfolgt die Kühlung der externen Bewegung auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin. Unser Ansatz eröffnet neue Perspektiven für die Präparation und Kontrolle ultrakalter komplexer Systeme.“

Publikation:
„Cavity cooling of internal molecular motion“, Giovanna Morigi, Pepijn W.H. Pinkse, Markus Kowalewski, und Regina de Vivie-Riedle
Physical Review Letters, August 17, 2007
doi: 10.1103/PhysRevLett.99.073001
Ansprechpartner:
Professor Dr. Regina de Vivie-Riedle
Department Chemie und Biochemie der LMU
Tel.: 089 / 2180-77533
Fax: 089 / 2180-77133
E-Mail: rdvpc@cup.uni-muenchen.de