Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Ultrakalte Moleküle

Autoren
Rempe, Gerhard; Glöckner, Rosa
Abteilungen
„Quantendynamik”
Zusammenfassung
Moleküle haben faszinierende Charakteristika wie eine Vielzahl von internen Zuständen, eine ungewöhnliche Wechselwirkung oder interessante chemische Eigenschaften. Bei extrem tiefen Temperaturen dominieren quantenmechanische Effekte, die neue Perspektiven z. B. für die Simulation von komplexen Quantensystemen oder die Erzeugung neuer Materiephasen eröffnen. Um diese Temperaturen im Experiment zu erreichen, müssen geeignete Methoden entwickelt werden, um Moleküle einzufangen und abzukühlen sowie ihre internen Zustände zu manipulieren.

In der Quantenoptik hat das Kühlen von Atomen auf extrem tiefe Temperaturen zu einer ganzen Fülle von neuen Experimenten geführt. Bei tiefen Temperaturen ist eine weitgehende Kontrolle der Bewegung von Atomen möglich, die es z. B. erlaubt, Atome zwischen zwei Spiegeln zu fangen. Mit solchen stationären Atomen können einzelne Photonen erzeugt oder gespeichert werden, was den Aufbau eines Quantennetzwerkes und die Verarbeitung von Quanteninformation möglich macht. Außerdem wird bei tiefen Temperaturen die Wellenlänge der Teilchen so groß, dass sie nicht mehr vernachlässigt werden kann. Das hat enorme Konsequenzen: Kühlt man ein atomares Ensemble in den niedrigsten Bewegungszustand, kann ein sogenanntes Bose-Einstein Kondensat entstehen. In dieser neuen Materiephase wird die Wolke aus Millionen von Atomen durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben. Solche „entarteten Quantengase” eignen sich für vielfältige Forschungszwecke: für die Beobachtung der Interferenz der Materiewellen, für die Herstellung eines Atomlasers oder zusammen mit einem optischen Gitter für die Simulation von Festkörperkristallen.

Ultrakalte Moleküle könnten die experimentellen Möglichkeiten deutlich erweitern [1]. Im Unterschied zu Atomen können Moleküle zum Beispiel über getrennte Ladungsschwerpunkte verfügen und somit ein permanentes elektrisches Dipolmoment tragen. Durch deren Ausrichtung lassen sich die Moleküle steuern oder neue Wechselwirkungen, insbesondere Wechselwirkungen mit großer Reichweite, zwischen den Molekülen erzeugen. Daraus ergäben sich z. B. neue Eigenschaften eines Bose-Einstein Kondensates oder neue Möglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung. Außerdem haben Moleküle gegenüber Atomen eine Vielzahl von Rotationsanregungen, die Drehungen des Moleküls um eine Achse entsprechen, und Vibrationsanregungen, bei denen die Atome gegeneinander schwingen. Das eröffnet neuartige Möglichkeiten für die Speicherung von Quanteninformation. Auch lassen sich mit den Eigenschaften Theorien jenseits des Standardmodells überprüfen. Nicht zuletzt sind Moleküle interessant, um genauer zu verstehen, wie chemische Prozesse bei tiefen Temperaturen ablaufen, wenn die Wellennatur der Teilchen berücksichtigt werden muss.

Die in der Quantenoptik genutzten Atomsorten (z. B. Rubidium, Kalium und andere) können standardmäßig auf Temperaturen deutlich unterhalb von Mikro-Kelvin (10-6 K) gekühlt werden. Bei Molekülen erreichen Standardmethoden dagegen bisher nur Temperaturen von ca. einem Kelvin. Bis vor Kurzem gab es keine Methode, Moleküle auf ultraniedrige Temperaturen unterhalb von einem Milli-Kelvin zu kühlen. Der Hauptgrund dafür sind die vielen internen Zustände von Molekülen, die die Kontrolle von Molekülen signifikant erschweren, weshalb viele der Kühlmethoden für Atome insbesondere auf polyatomare Moleküle nicht einfach zu übertragen sind.

Für polyatomare Moleküle, die ein permanentes Dipolmoment haben, hat die Abteilung Quantendynamik von Professor Gerhard Rempe eine Methode entwickelt, bei der extrem tiefe Temperaturen erreicht werden: das sogenannte opto-elektrische Sisyphus-Kühlen. Dabei wird, vereinfacht ausgedrückt, den in einer Falle gefangenen Molekülen Bewegungsenergie entzogen, indem man sie zwingt, sich stärker bergauf als bergab zu bewegen. Der Trick dabei ist, die Wechselwirkung zu nutzen, die polare Moleküle mit elektrischen Feldern haben. Zugleich wurde zum ersten Mal optisches Pumpen für gefangene Moleküle realisiert und genutzt, um die Rotation der Moleküle zu manipulieren.

Moleküle mit elektrischen Feldern fangen

Abb. 1: Elektrische Falle. Oben: Bild der Falle in der Vakuumkammer. Aufgebaut ist die Falle aus zwei mikrostrukturierten Kondensatorplatten, zwischen denen ein homogenes elektrisches Feld herrscht. Zusätzlich ist eine hohe Spannungsdifferenz an den mikrostrukturierten Elektroden auf den Kondensatorplatten angelegt, die zu einem hohen Feld nahe der Platten führt. Damit wirken beide Platten wie Spiegel für die Moleküle. Für einen dreidimensionalen Einschluss sorgt eine zusätzliche Ringelektrode. Geladen und entladen wird die Falle mithilfe einer elektrischen Führung.
Unten: Schematisches Bild der Falle. Moleküle mit Temperaturen von weniger als einem Kelvin können in einem elektrischen Feldminimum gespeichert werden und bewegen sich in der Falle hin und her (schwarze Linie). Bei höheren kinetischen Energien können die Moleküle die Potenzialwand überwinden und gehen verloren (rote gestrichelte Linie). Wie hoch die Wand ist, hängt dabei auch von der Ausrichtung des Dipolmoments relativ zum elektrischen Feld ab (siehe Haupttext).

Die Wechselwirkung von polaren Molekülen mit elektrischen Feldern kann genutzt werden, um Moleküle zu fangen. Dazu wurde eine elektrostatische Falle entwickelt, die Moleküle in einem elektrischen Feldminimum speichern kann und in der das Potenzial in etwa wie eine Badewanne aussieht [2] (Abb. 1): In der Mitte ist die Feldstärke niedrig, an den Wänden steigt sie dagegen steil an. Je nachdem, wie das Dipolmoment zum elektrischen Feld orientiert ist, kann das Molekül stark gefangen (Dipolmoment antiparallel), schwächer gefangen (Dipolmoment geneigt zum elektrischen Feld) oder sogar nicht gefangen (Dipolmoment und elektrisches Feld parallel) sein. Die Moleküle bewegen sich in der Falle und laufen je nach Temperatur den Potenzialberg am Rand der Falle unterschiedlich weit hinauf. Um viele Moleküle fangen zu können, werden vorgekühlte Moleküle mit einer Temperatur von etwa einem Kelvin in die Falle geladen.

Mit Licht die Rotationsbewegung verringern

Bei Raumtemperatur sind bei kleinen polyatomaren Molekülen wie Formaldehyde (H2CO) oder Fluormethan (CH3F) von den Vibrationszuständen meistens nur der Grundzustand besetzt, aber oft viele tausend Rotationszustände. Obwohl beim Laden der Falle bereits viele Rotationszustände herausgefiltert werden, befinden sich die verbleibenden Moleküle immer noch in einigen Dutzend Rotationszuständen. Man benötigt daher ein Verfahren, das die Zahl der besetzten Rotationszustände reduziert, sodass idealerweise am Ende nur noch wenige oder sogar nur noch ein einziger Rotationszustand übrig ist.

Abb. 2: Optisches Pumpen: In der Falle befinden sich viele Moleküle in unterschiedlichen Rotationszuständen. Anhand von drei Rotationszuständen wird gezeigt, dass es möglich ist, mithilfe von optischem Pumpen alle Moleküle in den gleichen Rotationszustand zu bringen. Das ist essentiell für die meisten Anwendungen in der Quantenoptik. Moleküle in einem bestimmten Rotationszustand (hier N) werden mit einem Infrarotlaser in einen angeregten Vibrationszustand überführt, der spontan nach wenigen zehn Millisekunden in den Grundzustand zerfällt. Dabei kann sich der Rotationszustand wie gezeigt ändern. Jeder der drei Zerfälle ist dabei in etwa gleich wahrscheinlich. Die Rotationszustände N und N+1 sind durch Mikrowellenstrahlung gekoppelt, d. h. ihre Population ist immer gleich. Der Prozess dauert also so lange, bis alle Moleküle in dem gewünschten Rotationszustand N-1 sind, in dem sie sich sammeln und der daher auch Dunkelzustand genannt wird.

Anhand von drei Rotationszuständen konnte nun gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, mithilfe von optischem Pumpen alle Moleküle in den gleichen Rotationszustand zu bringen. Optisches Pumpen ist eine der ersten Methoden um Atome mit Licht zu manipulieren. Sie wurde 1950 entwickelt und 1966 mit dem Nobelpreis gewürdigt. Optisches Pumpen für gefangene polyatomare Moleküle wird implementiert, indem man mit einem Laser das Molekül in einen angeregten Vibrationszustand bringt. Die Regeln für eine mögliche Änderung des Rotationszustandes durch den spontanen Zerfall sind relativ einfach: Der Rotationszustand kann unverändert bleiben, oder er kann sich um eins erhöhen oder um eins verringern, wie in Abbildung 2 gezeigt. Koppelt man die oberen beiden Zustände mithilfe von Mikrowellenstrahlung und sorgt damit für eine gleiche Besetzung der beiden, so ist der untere Rotationszustand der sogenannte „Dunkelzustand”, in dem sich die Population ansammelt. Dieses Schema lässt sich prinzipiell zu weiteren höheren Zuständen erweitern. Da ein höherer Rotationszustand mehr Energie besitzt, wird durch das optische Pumpen also die Rotationsbewegung verringert [3]. Darüber hinaus kann man mit optischem Pumpen auch die Orientierung des Dipolmoments beeinflussen, wovon unter anderem beim Sisyphus-Kühlen Gebrauch gemacht wird.

Mit Sisyphus die Bewegung kühlen

Abb. 3: Molekülkühlung: Das Molekül wird durch den gezeigten Prozess gezwungen, sich mehr bergauf als bergab zu bewegen und verliert dadurch Bewegungsenergie (siehe Haupttext). Das Kühlschema adressiert nur einen Rotationszustand, da der Infrarotlaser nur resonant zu einem bestimmten Übergang ist. Moleküle in abweichenden Zuständen gehen verloren. Das in Abbildung 2 gezeigte optische Pumpen unterdrückt diesen Verlustprozess.

Der Prozess der Sisyphus-Kühlung ist in Abbildung 3 veranschaulicht [4, 5]. Zunächst bewegt sich ein stark gefangenes Molekül die Potenzialwand am Rand der elektrischen Falle (großes elektrisches Feld) hinauf. Oben angekommen hat ein Molekül fast seine ganze kinetische Energie in potenzielle umgewandelt. Mithilfe von Radiofrequenzstrahlung, die nur dort, d. h. bei hohen Feldstärken, resonant mit einem Übergang ist, wird es in einen anderen, weniger gut gefangenen Zustand überführt. Diesem entspricht eine kleinere potenzielle Energie und beim Zurückrollen in das Zentrum der Falle gewinnt das Molekül entsprechend weniger kinetische Energie. Effizientes Kühlen erfordert nun, dass dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden kann  und dafür müssen zwei Dinge beachtet werden: Zum einen muss das Molekül im Zentrum der Falle wieder in den stark gefangen Zustand gebracht werden. Dafür wird das Molekül mithilfe eines Infrarotlasers in einen angeregten Vibrationszustand überführt, wobei sich das Dipolmoment durch den Spontanzerfall wieder antiparallel zum Feld einstellen kann. Zum andern muss man für die nun kälteren Moleküle die Radiofrequenz anpassen, da die Moleküle, anschaulich gesprochen, nicht mehr ganz so hoch laufen.

Ergebnis und Ausblick

Mit der Kombination von Sisyphus-Kühlung und optischem Pumpen kann nun die Bewegung der Moleküle in der Falle gekühlt und gleichzeitig ihre interne Rotationsbewegung kontrolliert werden. Mit dieser Methode konnte zunächst ein Ensemble von ca. einer Million Fluormethan-Molekülen in einem einzigen Rotationszustand präpariert und gleichzeitig die Temperatur von 400 auf 30 Milli-Kelvin gesenkt werden [3]. Durch Verbesserung der technischen Bedingungen gelang es kürzlich, ein Ensemble von rund dreihunderttausend Formaldehyd-Molekülen auf weniger als 500 Mikro-Kelvin zu kühlen [6]. Damit wurde zum ersten Mal ein Ensemble von ultrakalten polyatomaren Molekülen erzeugt, in dem sich zudem fast alle Moleküle in einem einzigen internen Rotationszustand befinden. 

Der hier beschriebene Ansatz für das Kühlen und die Kontrolle von polyatomaren Molekülen ist sehr vielversprechend, weil er Eigenschaften nutzt, die bei vielen Molekülsorten auftreten. Das Verfahren sollte sich also auf viele verschiedene Molekülspezies anwenden lassen und ebnet damit den Weg zu einer großen chemischen Vielfalt an ultrakalten Molekülen. Auch ist das Temperaturlimit dieser Methode noch nicht erreicht. Vielmehr sollte eine weitere technische Entwicklung noch tiefere Temperaturen erlauben, an die man das sogenannte Verdampfungskühlen anschließen könnte. Verdampfungskühlen funktioniert dabei ähnlich wie das Kühlen von heißem Kaffee durch Pusten: Die heißesten Moleküle werden entfernt und die kälteren rethermalisieren durch Stöße, wodurch die Temperatur sinkt. Diese Kühlmethode stellt typischerweise den letzten entscheidenden Schritt zur Erzeugung eines Bose-Einstein Kondensates dar, setzt aber ein vorgekühltes Ensemble voraus. Der hier beschriebene Ansatz könnte damit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu entarteten Quantengasen aus polyatomaren Molekülen sein.

Literaturhinweise

1.
Carr, L. D.; DeMille, D.; Krems, R. V.; Ye, J.
Cold and ultracold molecules: Science, technology and applications
New Journal of Physics 11, 055049 (2009)
2.
Englert, B. G. U.; Mielenz, M.; Sommer, C.; Bayerl, J.; Motsch, M.; Pinkse, P. W. H.; Rempe, G.; Zeppenfeld, M.
Storage and adiabatic cooling of polar molecules in a microstructured trap
Physical Review Letters 107, 263003 (2011)
3.
Glöckner, R.; Prehn, A.; Englert, B. G. U.; Rempe, G.; Zeppenfeld, M.
Rotational Cooling of Trapped Polyatomic Molecules
Physical Review Letters 115, 233001 (2015)
4.
Zeppenfeld, M.; Motsch, M.; Pinkse, P. W. H.; Rempe, G.
Optoelectrical cooling of polar molecules
Physical Review A 80, 041401 (2009)
5.
Zeppenfeld, M.; Englert, B. G. U.; Glöckner, R.; Prehn, A.; Mielenz, M.; Sommer, C.; van Buuren, L. D.; Motsch, M.; Rempe, G.
Sisyphus cooling of electrically trapped polyatomic molecules
Nature 491, 570–573 (2012)
6.
Prehn, A.; Ibrügger, M.; Glöckner, R.;  Rempe, G.; Zeppenfeld, M.
Optoelectrical cooling of polar molecules to sub-millikelvin temperatures
Physical Review Letters 116, 063005 (2016)
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