Atomare Kollisionen für tiefkalte Moleküle

Los Angeles (USA) - Wer Quantenphänomene genau untersuchen will, braucht extrem kalte Atome und Moleküle. Heute lassen sich Atome zuverlässig fast bis auf den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad abkühlen, bei Molekülen klappt das aber oft nicht. Eine Lösung dieses Problems entwickelten nun kalifornische Physiker. Sie nutzten Kollisionen mit ausgewählten Atomen, um Molekülen effizient Energie zu entziehen und so damit auf tiefste Temperaturen zu kühlen. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature“ erläutern, könne ihre Methode bei der Entwicklung von Quantencomputern oder zur Analyse chemischer Prozesse auf der atomaren Skala genutzt werden.

Für ihre Experimente wählten Eric R. Hudson und Kollegen von University of California in Los Angeles das Salz Bariumchlorid. Mit Lasern lösten sie Molekülionen von diesem Material ab und sperrten etwa tausend davon mit elektromagnetischen Feldern in eine Ionenfalle. Diese noch heiße Molekülwolke bestrahlten sie mit einem Laser und erzeugten so reine Bariumionen. Diese stießen mit den Molekülen zusammen und entzogen ihnen über diese Kollisionen Energie. Je weniger Energie die Moleküle aufweisen, desto kälter werden sie.

Um die Molekülionen noch näher an den absoluten Nullpunkt abzukühlen, gingen die Physiker aber noch einen Schritt weiter. In die speziell gestaltete Ionenfalle fügten sie nun neutrale Kalziumatome zu, die über resonante Laseranregungen bereits vorgekühlt werden konnten. Wieder kam es zu Kollisionen, bei denen die Molekülionen noch mehr Energie an die Kalziumatome abgaben. Diese Moleküle waren nun kalt genug, um Quantenphänomene genauer untersuchen zu können.

Der technische Aufwand für die Kühlung von Molekülionen bis sehr nah an den absoluten Nullpunkt mag aufwendig klingen, doch einmal installiert vollzieht sich der Kühlprozess sehr schnell innerhalb von weniger als 100 Millisekunden. Dieses Experiment belegt nun, dass diese Art der Molekülkühlung prinzipiell funktioniert. Für weiterführende Experimente im Bereich der Quantenchemie oder der Quanteninformation könnten nun für viele verschiedene Molekülionen passende Atome für die kühlenden Kollisionen gefunden werden.