Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle mit einer Zentrifuge gestoppt

07.01.2014
Eine neue Technik bremst schnelle polare Moleküle aus einer kontinuierlichen Strahlquelle auf beinahe Stillstand ab.

Hat das Elektron ein elektrisches Dipolmoment? Lassen sich Reaktionen zwischen großen polyatomaren Molekülen gezielt steuern? Und können mit Molekülen Quantenrechner oder Quantensimulationen realisiert werden?


Ein elektrischer Quadrupol-Leiter zwingt die Moleküle, sich auf einer schnell drehenden Scheibe in Richtung Drehachse zu bewegen. Da die Moleküle dabei gegen die Zentrifugalkraft ankämpfen müssen, verlieren sie Bewegungsenergie und werden auf nahezu Stillstand abgebremst. Bild: MPQ Abt. Quantendynamik

Antworten auf solche Fragen, die sowohl die Grundlagenphysik als auch potentielle Anwendungen betreffen, versprechen sich Wissenschaftler von der Erforschung kalter polarer Moleküle. Dabei haben sie derzeit vor allem mit dem Problem zu kämpfen, ausreichend große Mengen an kalten komplexen Molekülen zu erzeugen. Das Schlüsselverfahren dabei ist die Abbremsung von Molekularstrahlen.

Dafür gab es bisher jedoch nur Methoden, die gepulst, mit einem ziemlich schlechten Schaltverhältnis arbeiten und den hohen Fluss an Molekülen aus kontinuierlichen Strahlquellen nicht richtig nutzen können. Die neue auch „Zentrifugen-Kühlung“ genannte Technik, die jetzt eine Gruppe von Wissenschaftlern aus der Abteilung Quantendynamik von Prof. Gerhard Rempe entwickelt hat, ist sehr vielseitig anzuwenden und vor allem die allererste, die kontinuierlich arbeitet (DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.013001, 6. Januar 2014).

Die erstaunlichen Fortschritte in der Atomphysik und Quantenoptik in den letzten 30 Jahren gehen vor allem auf die Entwicklung hocheffizienter Laser-Kühlverfahren zurück. Verglichen mit Atomen stellen Moleküle weit komplexere Gebilde dar: sie verfügen zusätzlich zu den elektronischen Energieniveaus über Vibrations- und Rotationszustände. Insbesondere auf Moleküle aus vielen Atomen lässt sich die Laserkühlung somit nicht anwenden.

Es liegt nahe, Moleküle (oder auch andere Objekte) dadurch abzubremsen, dass man sie einen steilen Hügel erklimmen lässt. Dabei wandelt sich ihre Bewegungsenergie in potentielle Energie um. Sobald das Objekt/Molekül auf dem Gipfel angekommen ist, muss man es einfangen. Für Moleküle lassen sich solche Potentialhügel durch die Wechselwirkung mit einem äußeren Feld realisieren, seien es elektrische bzw. magnetische Felder oder Schwerefelder.

So verfügen viele Moleküle, im Unterschied zu Atomen, aufgrund einer unsymmetrischen Verteilung ihrer elektrischen Ladungen über ein ausgeprägtes elektrisches Dipolmoment und sind daher über äußere elektrische Felder zu beeinflussen. Wenn sie von einem Gebiet mit einem schwächeren elektrischen Feld in ein Gebiet mit einem höheren Feld geführt werden, verlieren sie Bewegungsenergie. Auf ähnliche Weise können Moleküle mit äußeren magnetischen Feldern abgebremst werden.

„Beide Methoden haben den großen Nachteil, dass die typische Höhe eines Potentialhügels von der Größenordnung 1 Kelvin ist, während die Moleküle aus unserer mit flüssigem Stickstoff gekühlten Strahlquelle eine anfängliche Bewegungsenergie von 100 Kelvin besitzen“, erklärt Dr. Sotir Chervenkov, Leiter des Experiments. „Daher müssen die Moleküle eine Folge von etwa 100 Hügeln ersteigen. Das bedeutet, dass man den Vorgang viele Male wiederholen muss, was einer gepulsten Arbeitsweise entspricht.“

Will man diese Einschränkung umgehen und die Moleküle in einem Durchgang abbremsen, dann benötigt man ein ausreichend hohes Potential von rund 100 Kelvin. Das Schwerefeld der Erde wäre dazu geeignet, jedoch müsste man das Molekül 2000 Meter hoch werfen, um es von einer anfänglichen Geschwindigkeit von 200 Metern in der Sekunde auf die für seinen Einfang notwendigen 20 Meter pro Sekunde abzubremsen. Das ist natürlich im Experiment unmöglich. Eine Alternative ist die künstliche Erzeugung eines analogen Schwerefeldes.

„Wir sind weltweit die erste Gruppe, die diese Möglichkeit erforscht“, betont Dr. Chervenkov. „Jeder, der schon einmal in einem Karussell gesessen hat, weiß, mit welcher Kraft man hier nach außen gedrückt wird. Diese Fliehkraft kann weit stärker sein als die Erdanziehungskraft. Sie wird in Zentrifugen für eine Reihe von Versuchen zu biologischen, medizinischen und industriellen Zwecken genutzt.“ Xin Wu, ein Doktorand, der die ersten Messungen gemacht hat, ergänzt: „Allerdings verfolgen wir bei mit unserem „Karussell für Moleküle“ ein völlig anderes Ziel: wir wollen Moleküle mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 Metern in der Sekunde annähernd zu Stillstand bringen.“ Martin Zeppenfeld, der das Konzept ursprünglich erdacht hat, erklärt den Bremsmechanismus genau: „Zunächst zirkulieren die Moleküle in einem äußeren Speicherring mit einem Durchmesser von 40 Zentimetern, der aus zwei statischen und zwei rotierenden Elektroden besteht. Von dort sammelt ein elektrischer Quadrupol-Leiter die Moleküle an einem beliebigen Punkt ein und wirbelt sie entlang seiner nach innen spiralförmig gebogenen Struktur zur Drehachse (siehe Abbildung). Die Abbremsung vollzieht sich daher in zwei Schritten: Zunächst verringert sich die Geschwindigkeit der Moleküle, wenn sie vom Laborsystem in das rotierende System übertreten. Gleichzeitig aber sind sie der nach außen gerichteten Fliehkraft ausgesetzt. D.h. sie müssen auf ihrem Weg in die Mitte einen riesigen Berg bezwingen und werden dabei kontinuierlich abgebremst, bis sie schließlich fast zum Stillstand kommen.“

An drei Molekülsorten, CH3F, CF3H, und CF3CCH, mit unterschiedlichen Massen und einem Dipolmoment von der Größenordnung 1,5 Debye haben die Wissenschaftler die neue Kühlmethode erfolgreich getestet. Zur Optimierung wurden sowohl die an den Elektroden liegende Spannung als auch die Drehgeschwindigkeit der Scheibe variiert. Unter den günstigsten Bedingungen ergaben sich Strahlintensitäten von mehreren Milliarden extrem kalten Molekülen (weniger als 1 Kelvin) pro Quadratmillimeter und Sekunde.

„Das Neue an unserer Zentrifugen-Kühlung ist ihre kontinuierliche Arbeitsweise, die hohe Intensität der resultierenden Strahlen, ihre Vielseitigkeit in der Anwendung sowie die relativ einfache Bedienung“, erläutert Prof. Gerhard Rempe. „Aufgrund der Universalität der Zentrifugalkraft besteht die Möglichkeit, dass auch Atome, auf die sich die Laserkühlung nicht anwenden lässt, oder sogar kalte Neutronen damit angebremst werden können.“

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die kalten Moleküle in einer elektrischen Falle in größerer Menge sammeln und darauf die ebenfalls in der Gruppe entwickelte Methode der Sisyphuskühlung anwenden. Damit ließe sich die Phasenraumdichte soweit erhöhen, dass gezielte Stoßexperimente zwischen großen Molekülen erstmals möglich werden. Auch die Bildung entarteter Quantengase aus polaren Molekülen, oder die Realisierung von Quantenrechnern und Quantensimulationen mit Molekülen als Quantenbits kommen damit in Reichweite. [SC/OM]

Originalveröffentlichung:

S. Chervenkov, X. Wu, J. Bayerl, A. Rohlfes, T. Gantner, M. Zeppenfeld, and G. Rempe
Continuous Centrifuge Decelerator for Polar Molecules
Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.013001, 6. Januar 2014
Kontakt:
Prof. Dr. Gerhard Rempe
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -701 /Fax: -311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Dr. Sotir Chervenkov
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -244 /Fax: -395
E-Mail: sotir.chervenkov@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

nachricht Sind Zeitreisen physikalisch möglich?
26.06.2017 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblick ins geschlossene Enzym

26.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Laser – World of Photonics: Offene und flexible Montageplattform für optische Systeme

26.06.2017 | Messenachrichten

Biophotonische Innovationen auf der LASER World of PHOTONICS 2017

26.06.2017 | Messenachrichten