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 Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall
22.08.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
21.08.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen