Scheibenbremse für Moleküle

Verglichen mit unserer Atemluft sind Passagierflugzeuge gemächlich unterwegs. Im Mittel bringen es etwa Stickstoffmoleküle bei Raumtemperatur auf mehr als 1700 Kilometern pro Stunde, fast die anderthalbfache Schallgeschwindigkeit. Für viele Experimente und auch manche denkbare Anwendung sind die Teilchen damit viel zu schnell.

Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München haben jetzt aber einen recht einfachen Weg gefunden, polare Moleküle auf etwa 70 Kilometer pro Stunde zu bremsen. Sie ließen verschiedene Substanzen wie etwa Fluormethan auf einer rotierenden Scheibe gegen die Zentrifugalkraft anlaufen, wobei Elektroden die Teilchen führten. Die Geschwindigkeit der abgebremsten Moleküle entspricht einer Temperatur von minus 272 Grad Celsius. Die neue Methode ermöglicht es, vergleichsweise große Mengen kalter Moleküle in einem kontinuierlichen Strom zu erzeugen, was etwa für gezielte chemische Reaktionen einzelner Teilchen oder die Verarbeitung von Quanteninformation nützlich sein könnte.

Bei chemischen Reaktionen geht es ziemlich unkontrolliert zu. Die Reaktionspartner finden zufällig zueinander und stoßen dann ziemlich heftig zusammen. Und dass sie dabei das tun, was Chemiker von Ihnen erwarten, ist auch nicht gewiss. Sie gezielt und in gemächlichem Tempo zueinander zu führen, könnte manche Umwandlung begünstigen, die andernfalls kaum stattfindet. Dafür brauchen Chemiker langsame, mithin kalte Moleküle, und zwar in großen Mengen. Aber auch Physiker sind für viele Experimente, aber auch für neue technische Anwendungen etwa der Quanteninformationsverarbeitung, auf kalte Moleküle angewiesen. Für viele Wissenschaftler vor allem in der Tieftemperatur-Physik dürfte es also eine gute Nachricht sein, dass Forscher um Sotir Chervenkov und Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik eine vielseitige und effiziente Bremse für polare Moleküle entwickelt haben.

Von etwa 700 auf 70 Kilometer pro Stunde bremst der Entschleuniger des Garchinger Teams die Teilchen – in ihren aktuellen Experimenten Moleküle von Fluormethan, Trifluormethan und 3,3,3-Trifluorpropin. Da die Temperatur von der Geschwindigkeit der Teilchen bestimmt wird, entspricht das einer Abkühlung von 100 auf 1 Kelvin, also von minus 173 auf minus 272 Grad Celsius. „Mit Stickstoff gekühlte Quellen liefern Moleküle mit 100 Kelvin, und gute Methoden, um Moleküle mit einem Kelvin weiter abzukühlen, kennen wir auch“, sagt Sotir Chervenkov. „Aber gerade für den Bereich dazwischen fehlen bisher effiziente Verfahren, vor allem solche, die einen kontinuierlichen Strom kalter Moleküle erzeugen.“

Vier Elektroden führen Moleküle in den Mittelpunkt der Zentrifuge

Die Max-Planck-Forscher setzen dabei auf eine sattsam bekannte, für die Entschleunigung von Molekülen bisher aber noch nicht genutzte Kraft: die Fliehkraft. Die Molekülbremse besteht daher aus einer sich mit bis zu 43 Umdrehungen pro Sekunde rotierenden Zentrifuge: einer drehbaren Scheibe mit 40 Zentimetern Durchmesser, auf der die Teilchen vom Rand bis ins Zentrum geführt werden. Als Leitplanken dienen vier im Abstand von einem Millimeter quadratisch angeordnete und paarweise unterschiedlich gepolte Elektroden, die den Molekülen mit ihrem elektrischen Feld eine Flugrichtung aufzwingen.

Zwei statische Elektroden fassen die Scheibenbremse ein. Durch eine Öffnung in diesem Doppelring führen die Max-Planck-Physiker die Teilchen in den Entschleuniger. Auf der Scheibe sind entlang fast des ganzen Umfangs ebenfalls zwei Elektroden montiert, allerdings nicht zu geschlossenen Ringen. Vielmehr biegen sich die beiden Elektroden etwa auf einem Viertel der Kreisfläche spiralförmig zur Mitte.

Damit stets vier elektrostatische Leitplanken die Moleküle auf ihrem Bremsweg in der Spur halten, begleitet ein weiteres Elektrodenpaar die Teilchen entlang der Spiralwindung. Diese sind angeschnitten und schließen im Abstand von nur 0,2 Millimeter an die statischen Elektrodenring an, so dass sie gleichsam aus diesen herauszuwachsen scheinen. So geraten die Moleküle ganz geschmeidig auf die krumme Bahn, auf der sich an der Zentrifugalkraft abarbeiten und drastisch an Tempo verlieren, bis eine weitere Kurve der Elektroden im Zentrum der Scheibe sie nach oben von dem Entschleuniger weg leitet.

Gegen die Erdanziehungkraft müssten Moleküle 2000 Meter hoch fliegen

„Die Abbremsung vollzieht sich in zwei Schritten“, erklärt Martin Zeppenfeld, der das Konzept der Molekülbremse ursprünglich erdacht hat. „Zunächst verringert sich die Geschwindigkeit der Moleküle, wenn sie vom Laborsystem in das rotierende System übertreten.“ Das ist vergleichbar mit einem Vater, der neben seinem Kind auf einem drehenden Karussell herläuft. Verglichen mit der Umgebung bewegt er sich, für das Kind dagegen nicht.

„Die Moleküle sind zudem der nach außen gerichteten Fliehkraft ausgesetzt“, sagt Martin Zeppenfeld. „Die Teilchen müssen auf ihrem Weg in die Mitte einen riesigen Berg bezwingen und werden dabei kontinuierlich abgebremst, bis sie schließlich fast Stillstand kommen.“ Zum Vergleich: Damit die Teilchen im Schwerefeld der Erde die gleich Bremswirkung erfahren, müssten sie 2000 Meter hoch fliegen.

Manche der Methoden, mit denen polare Moleküle derzeit abgebremst werden, nutzen Elektroden nicht nur als Leitplanken, sondern auch als eigentliche Bremse. Mit praktikablen Feldstärken bleibt die Bremswirkung allerdings gering, sodass die Teilchen immer wieder auf diesen elektrischen Potenzialberg geschickt werden müssen. So gehen nicht nur viele Teilchen verloren, sie verlassen den Entschleuniger auch nicht als kontinuierlicher Strom, sondern in Form von Teilchenpulsen, also schubweise.

Die Zentrifugen-Kühlung ist vielseitig und einfach zu bedienen

„Das Neue an der unserer Zentrifugen-Kühlung ist ihre kontinuierliche Arbeitsweise, die große Zahl der Moleküle in den resultierenden Strahlen, ihre Vielseitigkeit in der Anwendung sowie die relativ einfache Bedienung“, sagt Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Prinzipiell lassen sich auch Atome oder Neutronen durch die Fliehkraft abbremsen. Diese Teilchen sind allerdings nicht polar und können daher nicht mit einem elektrischen Feld durch die Zentrifuge dirigiert werden.

Die in der Zentrifuge stark verlangsamten Moleküle, wollen die Garchinger Forscher nun weiter bremsen, und zwar mit Hilfe der Sysiphus-Kühlung, die sie erst kürzlich entwickelt haben und die für bereits sehr kalte Moleküle geeignet ist. Dabei bremst ein elektrisches Feld die optisch angeregten Moleküle ab. Durch eine Kombination beider Methoden erhalten die Forscher einen ausreichend dichten Strom extrem kalter Moleküle, sodass sie diese zu gezielten Stößen aufeinander lenken und ihre chemische Reaktion kontrollieren können. Die extrem kalten Moleküle könnten sich aber auch zu Wolken aufstauen lassen, die als Register eines bei manchen Rechenoperationen besonders schnellen Quantencomputers dienen könnten. Mit der geschlossenen Kühlkette für die Teilchen öffnen sich der Chemie und der Physik also völlig neue Perspektiven.

Ansprechpartner

Dr. Sotir Chervenkov
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Telefon: +49 89 32905-244
E-Mail: sotir.chervenkov@mpq.mpg.de
Prof. Dr. Dr. habil. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Telefon: +49 89 32905-701
Fax: +49 89 32905-311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Originalpublikation
Sotir Chervenkov, Xing Wu, Josef Bayerl, Andreas Rohlfes, Thomas Gantner, Martin Zeppenfeld, Gerhard Rempe

Continuous Centrifuge Decelerator for Polar Molecules

Physical Review Letters, 6. Januar 2014