Moleküle, die nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt wurden, haben gerade einen neuen physikalischen Rekord gebrochen

Ein zweistufiger Kühlprozess mit Lasern hat es Physikern ermöglicht, Moleküle von Calciummonofluorid auf eine Rekordtief-Temperatur zu drücken und damit eine Barriere zu sprengen, die bisher unpassierbar war.

Vor Jahrzehnten eröffnete das Abkühlen einzelner Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt den Teilchenphysikern eine neue Forschungswelt. Dieser jüngste Durchbruch könnte auch einen fruchtbaren Boden bieten, um mehr darüber zu erfahren, wie sich Atome verhalten, wenn sie als Moleküle miteinander verbunden sind.

Der Prozess hinter der Rekordkühlung, die von Forschern des Centre for Cold Matter am Imperial College London durchgeführt wird, unterscheidet sich nicht allzu sehr von denen, die zur Kühlung von Atomen verwendet werden.

Ein sich bewegendes Teilchen ist ein heißes Teilchen, das heißt, um entweder ein Atom oder ein Molekül abzukühlen, muss man einfach sein Summen verlangsamen.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, zu nutzen, wie Atome Lichtquanten absorbieren und emittieren und dabei möglicherweise an Schwung verlieren.

Ein auf eine bestimmte Frequenz abgestimmter Laser zielt auf Atome, die von einem Magnetfeld auf engstem Raum eingeschlossen werden.

Wenn sich das Atom vom Licht wegbewegt, wird die Frequenz, die es erfährt, leicht zum roten Ende des Spektrums hin dopplerverschoben. Wenn sich das Teilchen in den Strahl bewegt, verschiebt sich die Frequenz, die darauf trifft, zum blauen Ende.

Wenn Sie diese Frequenz richtig einstellen, können Atome, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Laser bewegen, ein Photon Licht absorbieren. Dies bringt eines seiner Elektronen auf ein neues Energieniveau, das dann ein Photon in eine zufällige Richtung emittiert, wenn es herunterkommt.

Über die Teilchen verteilt bedeutet diese Emission von Photonen eine allgemeine Abnahme des Impulses für die Atome und verlangsamt sie allmählich.

Dieser Prozess, der Doppler-Kühlung genannt wird, kann Partikel nur so kalt machen, da die Energie, die durch das Emittieren von Photonen verloren geht, durch die Energie ausgeglichen wird, die die Atome in der Falle erhalten.

Einzelne Atome können mit verschiedenen anderen Techniken über diese sogenannte Doppler-Grenze hinaus gekühlt werden, so dass Physiker atemberaubende Temperaturen von nur 50 Billionstel Kelvin oder 0,000000000005 Grad über dem absoluten Nullpunkt erreichen können.

Bisher ist es Physikern jedoch nur gelungen, Atome zu zwingen, Moleküle zu bilden, während sie kalt sind, oder vorhandene Moleküle von Strontiumfluorid auf Temperaturen oberhalb der Dopplergrenze abzukühlen.

Zu komplexeren Systemen zusammengebunden, reagieren Atome einfach nicht so zuverlässig auf dieselben Kühltricks.

Um die Grenzen zu erweitern, hielten die Forscher eine Reihe von Calciummonofluoridmolekülen durch eine Kombination von Magnetfeldern und Lasern, die als magneto-optische Falle bezeichnet werden, an Ort und Stelle.

Dies war genug, um sie bis zur Doppler-Grenze zu bringen. Um sie über die Linie zu bringen, verwendeten die Forscher eine zweite Technik namens Sisyphus-Kühlung.

Wenn Sie sich an Ihre griechischen Mythen erinnern, war König Sisyphus die verdammte Seele, die gezwungen war, einen Felsbrocken ewig auf einen Berg zu schieben, nur damit er auf der anderen Seite herunterrollte, nur weil er die Art von Herrscher war, der seine Gäste gerne ermordete.

Diese unendliche Trainingsroutine ist genau die Art von Dingen, um Teilchen ihrer Energie zu berauben.

Anstelle eines Berges verwenden Physiker ein Paar gegenüberliegender Laser, die so polarisiert sind, dass sie ein Teilchen auf einen Energiehügel zwingen und dabei an Schwung verlieren.

Dadurch konnten die Forscher das Calciummonofluorid auf Temperaturen von 50 Mikrokelvin oder 50 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt herunterziehen.

Das ist immer noch weit davon entfernt, wie kalt wir einzelne Atome herstellen können, aber es ist besser als der vorherige Rekord von 400 Mikrokelvin, der mit Strontiumfluoridmolekülen erzielt wurde.

Die theoretische Temperaturwand des absoluten Nullpunkts ist wie ein Zeno–Paradoxon der Teilchenphysik – wir können einem sich bewegenden Teilchen immer nur einen Bruchteil der Energie entziehen, was es zu einer mathematischen Unmöglichkeit macht, dass ein Teilchen jemals keine Wärme haben könnte.

Aber das Streben nach diesem unendlichen Ziel hat es uns ermöglicht, Partikel in beispiellosen Details zu untersuchen, seltsame neue Verhaltensweisen zu zeigen und zu untersuchen, wie Kräfte, die sie zusammenhalten, überhaupt entstehen.

Zweifellos wird diese neue Grenze dazu beitragen, unser Wissen über die Funktionsweise der Chemie auf grundlegender Ebene zu erweitern.

Diese Forschung wurde in Nature Physics veröffentlicht.