Exotische Moleküle im dreidimensionalen Lichtgitter

Boulder (USA) - Tiefgekühlt bis fast auf den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad lassen sich exotische Verbindungen herstellen und gezielt kontrollieren. So gelang es nun einer amerikanischen Arbeitsgruppe, Moleküle aus Kalium und Rubidium in einer ausgeklügelten Falle aus einem dreidimensionalen Lichtgitter einzufangen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, ließen sich nun die quantenphysikalischen Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen genauer untersuchen. Ihre Messungen könnten die Entwicklung von spintronischen Schaltkreise, die Daten über den Spin von Molekülen statt über elektrische Ladungen verarbeiten, deutlich voran treiben.

„Nun können wir sehr exotische Phasen von Quantensystemen genauer untersuchen“, sagt Deborah Jin vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. Zusammen mit ihren Kollegen sperrte sie etwa 20.000 Kaliumrubidium-Moleküle in einem dreidimensionalen optischen Gitter aus Laserstrahlen ein. Dieses optische Gitter kann mit einem Stapel aus Eierkartons verglichen werden, in deren Mulden sich je ein einzelnes Molekül aufhält. Mit Mikrowellenpulsen ließen sich nun die molekularen Spins kontrollieren. Dabei beobachteten Jin und Kollegen die quantenphysikalische Wechselwirkung der Spins zueinander. So tauschten die Moleküle ihre Spinzustände nicht nur auf das nächste Nachbarmolekül, sondern auch – abhängig von Winkel und Abstand – auf weiter entfernte Moleküle aus. Je nach Ausrichtung der elektrischen Teilladungen der stark polaren Moleküle zogen sich benachbarte Partikel entweder ab oder zogen sich an. Dieser Austausch von Spinzuständen könnte für die Verarbeitung digitaler Daten in sogenannten spintronischen Schaltkreisen der Zukunft genutzt werden.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt, wie polare exotische Moleküle ausschließlich über ihre Spins in Wechselwirkung treten können. Andere, prinzipiell mögliche chemische Reaktionen miteinander konnten durch das Einfangen in einem optischen Gitter unterbunden werden. In ihren Ergebnisse sehen die Wissenschaftler nun bessere Möglichkeiten, bisher unbekannte Materialien entwickeln zu können. Im Fokus stehen dabei molekulare Ensembles, die für die Entwicklung von Quantencomputern oder auch für spintronische Schaltkreise genutzt werden könnten.