Wissenschaftler produzieren ein extrem kaltes Gas aus organischen polaren Molekülen

Arctic Methane Emergency: Economy vs. Ecology (Juni 2019).

Anonim

Das Studium ultrakalter Moleküle ist eine Wissenschaft für sich. Ultrakalte Moleküle bieten die Möglichkeit, grundlegende chemische Prozesse zu untersuchen oder die Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu erforschen. Der einzige Haken ist die Tatsache, dass Moleküle aufgrund ihrer vielfältigen Schwingungs- und Rotationszustände sehr schwierig auf wirklich niedrige Temperaturen abzukühlen sind. Ein Team von Wissenschaftlern um Dr. Martin Zeppenfeld von der Abteilung Quanten-Dynamik von Prof. Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat nun aus der Not eine Tugend gemacht: die in der Gruppe entwickelte sogenannte optoelektrische Sisyphos-Technik, nutzt die Polarität von Formaldehydmolekülen und erreicht dabei Temperaturen von bis zu 420 Mikro-Kelvin.

Durch den Abkühlprozess wird nicht nur die Temperatur, sondern auch die Entropie - ein Maß für die thermodynamische Unordnung - des Gases deutlich reduziert. Das System nähert sich damit dem Regime an, in dem es durch die Gesetze der Quantenphysik beschrieben werden muss. "Wir haben einen Punkt erreicht, an dem wir mit weiteren Experimenten fortfahren können, die zu neuen grundlegenden Erkenntnissen über das Verhalten molekularer Vielteilchensysteme führen", sagt Professor Rempe. "Wir stellen uns zum Beispiel die Untersuchung von Kollisionsprozessen oder von Molekülspektren vor. Diese sind von besonderem Interesse, weil Formaldehyd in der Chemie im interstellaren Raum eine Schlüsselrolle spielt."

Der zentrale Teil des Experiments ist eine elektrostatische Falle, die aus zwei Kondensatorplatten besteht, die drei Millimeter voneinander entfernt sind. Die Platten sind mit Mikrostrukturelektroden bedeckt, zwischen denen hohe Spannungen angelegt sind. Das resultierende Potential ist ähnlich einer "Badewanne", mit einem kleinen homogenen Feld in der Mitte der Falle und einem steilen Anstieg des Feldes an den Rändern. Eine Wolke aus Formaldehydmolekülen (H2CO), vorgekühlt auf weniger als 1 Kelvin (minus 273 Grad Celsius), wird in dieses Potential geladen. Der Mechanismus der anschließend angewendeten relativ neuen Kühltechnik beruht auf der Tatsache, dass diese Moleküle ein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen (dh die negative Ladung ist zum Sauerstoffatom hin verschoben). Abhängig von der Ausrichtung seines Dipols in Bezug auf das elektrische Feld ist ein Molekül entweder stark gefangen (antiparallele Orientierung), schwach gefangen (geneigt) oder, im Falle einer parallelen Ausrichtung, überhaupt nicht gefangen, was das Molekül bedeutet geht verloren.

In der Falle klettern die Partikel an den Kanten den potentiellen Hügel hinauf, bis ihre kinetische Energie fast vollständig in potentielle Energie umgewandelt ist. An diesem Punkt ändert HF-Strahlung die Dipolorientierung eines bestimmten Moleküls in einen schwächer gefangenen Zustand. (Die RF-Strahlung ist nur resonant gegenüber Übergängen in den hohen elektrischen Feldern, die an den Kanten der Falle vorherrschen.) Da dieser Zustand einer niedrigeren potentiellen Energie entspricht, gewinnt das Teilchen eine kleinere Menge an kinetischer Energie zurück, wenn es zurückrollt das Zentrum der Falle (siehe Abb. 1).

Die Wiederholung dieses Prozesses erfordert, dass das Molekül wieder in den stark gefangenen Zustand gebracht wird, sobald es den Boden der Falle erreicht hat. Dies geschieht, indem das Molekül durch Infrarot-Laserlicht in einen Schwingungszustand versetzt wird, der spontan in den Grundzustand zerfällt. Während dieses Übergangs kehrt der Dipol möglicherweise in antiparallele Ausrichtung zurück. "Die Geschwindigkeit des Abkühlvorgangs hängt von der Geschwindigkeit dieses spontanen Zerfalls ab. Besonders wichtig ist, dass es viel schneller abläuft als der durch die RF-Strahlung induzierte Übergang", betont Alexander Prehn, Doktorand des Experiments. "Jedes Mal, wenn der Zyklus wiederholt wird, verlieren die Moleküle kinetische Energie, und weil sie immer wieder den Potentialhügel erklimmen müssen, ist die Methode nach dem griechischen Helden Sisyphus benannt."

Eine Zeitspanne von etwa 50 Sekunden (15 bis 20 Zyklen) reicht aus, um die Molekülwolke auf eine Temperatur von etwa 420 Mikro-Kelvin herunterzukühlen. Zur Bestimmung der endgültigen Temperaturverteilung wird eine Reihe von Messungen durchgeführt, bei denen das Ensemble jedes Mal mit Radiowellen unterschiedlicher Frequenz bestrahlt wird. Alle Moleküle, die den potentiellen Hügel bis zu einer bestimmten Höhe (die von der Frequenz abhängt) oder darüber montieren können, werden in nicht gefangene Zustände übertragen und gehen verloren. Die verbleibenden Moleküle mit niedrigerer kinetischer Energie werden gezählt. Auf diese Weise kann eine Verteilung der kinetischen Energie abgeleitet werden (siehe Abb. 2).

So hat das Team das größte Ensemble ultrakalter Moleküle aller Zeiten produziert und damit einen neuen Rekord aufgestellt. Durch die richtige Art von Infrarot- und Mikrowellenstrahlung gelangen 80 Prozent der Moleküle in den gleichen inneren Rotationszustand. "Es ist von großer Bedeutung, dass bei allen diesen Kühlschritten die Entropie des Ensembles reduziert wurde", betont Martin Zeppenfeld, Leiter des Projekts. "Mit Hilfe der optoelektrischen Sisyphos-Kühlung haben wir die Phasenraumdichte um den Faktor 10 000 erhöht, was den Nutzen der Technik beweist. Der Endzustand zeichnet sich durch eine stark reduzierte thermodynamische Unordnung aus. Dies ermöglicht die Untersuchung von Kollisionen zwischen den Molekülen oder in zukünftigen Experimenten, um kollektive Quanten-Vielteilchenphänomene zu erforschen. Neue Perspektiven gibt es auch auf dem Gebiet der Spektroskopie. "

"Laborexperimente mit Formaldehyd bei niedrigen Temperaturen sind besonders interessant, da Formaldehyd in der Chemie bei tiefen Temperaturen im interstellaren Raum eine Schlüsselrolle spielt. Es wird als elementarer Baustein aller komplexeren organischen Verbindungen angesehen." Martin Ibrügger, ein Doktorand auf dem Experiment, fügt hinzu. Das Kühlverfahren kann auf verschiedene molekulare Spezies angewendet werden, und es könnte weiter verbessert werden, um noch niedrigere Temperaturen zu erreichen. "Als einer der nächsten Schritte können wir auch versuchen, mit anderen Kühltechniken wie der Verdampfungskühlung fortzufahren. Dies sollte es ermöglichen, das Nano-Kelvin-Regime zu erreichen, das für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats notwendig ist." Rosa Glöckner, eine Doktorandin des Experiments, erklärt. "Unser Ergebnis ist somit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung von Quanten-degenerierten Gasen aus mehratomigen Molekülen."

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