Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sisyphus-Arbeit für polare Moleküle

15.11.2012
Neue Methode für die Kühlung von polaren Molekülen birgt das Potential, molekulare Gase in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts zu untersuchen.

Die Untersuchung extrem kalter Moleküle ist für eine Reihe von Fragestellungen der Grundlagenforschung interessant. Sie könnte Auskunft darüber geben, wie chemische Reaktionen im Weltall ablaufen. Ultrakalte molekulare Gase könnten als Quantensimulatoren, einzelne kalte Moleküle als Quantenspeicher eingesetzt werden.


Abb. 1: Illustration des experimentellen Aufbaus.
Graphik: Rosa Glöckner, MPQ


Abb. 2: Darstellung der optoelektrischen Sisyphus-Kühlung
Graphik: Alexander Prehn, MPQ

Doch was bei Atomen schon seit einiger Zeit gelingt – sie auf Temperaturen im Nanokelvin-Bereich abzukühlen – erweist sich bei Molekülen aufgrund ihrer großen Komplexität als ungleich schwieriger. Ein Wissenschaftlerteam der Abteilung Quantendynamik von Prof. Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat nun eine neue Kühlmethode entwickelt – die optoelektrische „Sisyphus-Kühlung“ –, die erstmals das Potential birgt, zu diesen bislang für größere und mehr-atomige Moleküle unerreichten tiefen Temperaturen vorzustoßen (Nature, AOP, 14. November 2012).

Der entscheidende Schritt, Atome auf extrem tiefe Temperaturen zu bringen, war die Entwicklung der Laserkühlung. Dabei werden die Atome mit Laserlicht bestrahlt, dessen Energie ein klein wenig unterhalb der Anregungsenergie für einen ausgewählten elektronischen Übergang liegt. Nur Atome, die den Laserstrahlen direkt entgegenlaufen, sind aufgrund des Dopplereffekts in Resonanz, werden angeregt und dabei in dieser Richtung abgebremst. Dieses Verfahren ist die Voraussetzung für die Anwendung weiterer Kühltechniken, die schließlich den Nanokelvin-Bereich erschließen, in dem atomare Ensembles neuartige Materiephasen bilden können.

Das Prinzip der Laserkühlung kann bei mehr-atomigen Molekülen nicht mehr funktionieren, da diese zu viele Anregungsmöglichkeiten besitzen: Hier gibt es nicht nur die elektronischen Anregungszustände – hinzu kommen Vibrationsanregungen, bei denen die Atome gegeneinander schwingen, und Rotationsanregungen, die Drehungen des Moleküls um eine Achse entsprechen. Doch ein Großteil der Moleküle besitzt dafür eine andere Eigenschaft, die sich zum Kühlen nutzen lässt: aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaffinitäten der Atome kommt es innerhalb des Moleküls zu Ladungsverschiebungen. So fühlen sich, wie allgemein bekannt, die Elektronen in Wassermolekülen (H2O) stärker zu dem Sauerstoffatom als zu den Wasserstoffatomen hingezogen. Auf diese Weise bilden sich ein negativer und ein positiver Ladungsschwerpunkt aus. Auch wenn solche polaren Moleküle nach außen hin elektrisch neutral sind, besitzen sie somit ein ausgeprägtes Dipolmoment. Dies hat zur Folge, dass sich ihre Anregungsniveaus in einem statischen elektrischen Feld aufspalten – je nachdem, ob der Dipol parallel oder antiparallel zum elektrischen Feld ausgerichtet ist. Dieser sogenannte Stark-Effekt (benannt nach dem deutschen Physiker Johannes Stark) ist der Schlüssel zum optoelektrischen Sisyphus-Kühlen.

In dem hier beschriebenen Experiment wird die neue Kühltechnik an einem Ensemble aus ca. einer Million polaren CH3F-Molekülen getestet. Die bereits auf rund 400 Millikelvin vorgekühlten Teilchen sind zwischen den beiden Platten eines Kondensators gefangen, dessen Feld im Zentrum sehr gleichmäßig ist, aufgrund einer Mikrostrukturierung der Plattenoberfläche zum Rand hin jedoch stark ansteigt. Infolge der Wechselwirkung der molekularen Dipole mit dem elektrischen Feld zeigen ihre Energie-Niveaus die oben erwähnte Stark-Aufspaltung. Ein Kühlzyklus beginnt damit, Moleküle im Zentrum der Falle durch Infrarotstrahlung auf ein höher gelegenes Niveau anzuregen. Von dort aus gehen sie wieder unter Aussendung von Photonen spontan in den Grundzustand über. Dabei kann sich allerdings die Ausrichtung ihres Dipolmoments relativ zum elektrischen Feld ändern.

„Damit ein Molekül erfolgreich gekühlt werden kann, müssen nun zwei Schritte erfolgen“, erklärt Martin Zeppenfeld, der das Experiment im Rahmen seiner Doktorarbeit konzipiert und mit seinen Kollegen aufgebaut hat. „Zum einen muss es in dem höheren der beiden Stark-Zustände gelandet sein. Zum andern muss es sich anschließend in die Randzone der Falle bewegen, in der das elektrische Feld stark ansteigt.“ Wenn das Molekül diesen ‚Berg‘ hoch läuft, wandelt sich ein großer Teil seiner Bewegungsenergie in potentielle Energie um. Genau an diesem Punkt wird das Dipolmoment des Moleküls mit geeigneten Radiofrequenzfeldern gezielt gedreht, sodass es in den tieferen Stark-Zustand übergeht. Da hier die Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld kleiner ist, gewinnt es beim ‚Zurückrollen‘ ins Fallenzentrum weniger Energie als es beim ‚Hochlaufen‘ aufgewendet hat. „Hier liegt die Analogie zur mühevollen Arbeit des antiken Helden Sisyphus“, erläutert Zeppenfeld. „Die Methode nutzt die spontane Photonenemission besonders effizient für die Verringerung der Entropie des Systems. Die eigentliche Abkühlung erfolgt dagegen durch die starke Wechselwirkung der Dipole mit den elektrischen Feldern in der Teilchenfalle.“

Bereits mit einigen Wiederholungen des Zyklus wird das System relativ stark – von 390 Milli-Kelvin auf 29 Milli-Kelvin – abgekühlt. „Diese Technik lässt sich auf viele unterschiedliche Moleküle anwenden, solange diese nicht zu groß sind und ein ausgeprägtes Dipolmoment besitzen“, betont Barbara Englert, die an diesem Experiment als Doktorandin forscht. Potentielle Anwendungen sieht sie in der Entwicklung molekularer Schaltungen, insbesondere in Verbindung mit supraleitenden Materialien. Rosa Glöckner, ebenfalls Doktorandin am Experiment, ist dagegen vor allem von den Möglichkeiten für die Vielteilchenphysik fasziniert. „Unsere Methode hat das Potential, molekulare Gase so stark abzukühlen, dass wir andere Kühltechniken wie das Verdampfungskühlen anschließen können. Damit könnten wir in den für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats notwendigen Nanokelvin-Bereich vorstoßen.“ Von besonderem Interesse dabei sei es, das Verhalten polarer Moleküle in optischen Gittern zu untersuchen, da sich die Reichweite der Dipol-Wechselwirkung über mehrere Gitterplätze erstreckt.

Bis solche Anwendungen möglich werden, ist noch ein weiter Weg zu bewältigen. „Wir haben aber noch eine Reihe von Möglichkeiten, das aktuelle Experiment zu optimieren, von Verbesserungen an der elektrischen Falle oder am Nachweisverfahren für die Moleküle bis hin zur Verwendung anderer Molekülspezies“, meint Martin Zeppenfeld. „Somit dürften wir schon relativ bald zu deutlich niedrigeren Temperaturen vorstoßen. Schon jetzt aber ermöglicht unsere Technik neuartige Untersuchen an polaren Molekülen – von hochauflösender Spektroskopie bis hin zur Untersuchung von Stößen zwischen gefangenen Molekülen in durchstimmbaren homogenen elektrischen Feldern.“ [Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:
M. Zeppenfeld, B.G.U. Englert, R. Glöckner, A. Prehn, M. Mielenz, C. Sommer, L.D. van Buuren, M. Motsch, and G. Rempe
Sisyphus Cooling of Electrically Trapped Polyatomic Molecules
Nature, AOP, 14. November 2012, DOI:10.1038/nature11595
Kontakt:

Prof. Dr. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 - 89 / 32905 -701
Fax: +49 - 89 / 32905 -311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de

Dipl. Phys. Martin Zeppenfeld
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 - 89 / 32905 -726
Fax: +49 - 89 / 32905 -311
E-Mail: martin.zeppenfeld@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 - 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 Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie