En nanokelvin-mikrobølgefryser til molekyler

Når en stærkt fortyndet gas afkøles til ekstremt lave temperaturer, afsløres bizarre egenskaber. Nogle gasser danner således et såkaldt Bose-Einstein-kondensat - en stoftype, hvor alle atomer bevæger sig i forening. Et andet eksempel er supersoliditet:en tilstand, hvor stof opfører sig som en friktionsfri væske med en periodisk struktur. Fysikere forventer at finde særligt forskellige og afslørende former for kvantestof, når de afkøler gasser bestående af polære molekyler. De er kendetegnet ved en ujævn elektrisk ladningsfordeling. I modsætning til frie atomer kan de rotere, vibrere og tiltrække eller frastøde hinanden. Det er dog vanskeligt at afkøle molekylære gasser til ultralave temperaturer. Et team af forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching har nu fundet en enkel og effektiv måde at overvinde denne vejspærring. Den er baseret på et roterende felt af mikrobølger.

En proces som i en kop kaffe

Til deres eksperimenter brugte forskerne en gas af natrium-kalium (NaK) molekyler, der var indespærret i en optisk fælde af laserlys. For at afkøle gassen stolede holdet på en metode, der længe har vist sig effektiv til afkøling af ubundne atomer:såkaldt evaporativ køling. "Denne metode virker på samme måde som den velkendte proces, som får en kop varm kaffe til at køle af," siger Dr. Xin-Yu Luo, leder af Laboratory for Ultracold Polar Molecules i afdelingen for Quantum Many-Body Systems ved MPQ :I kaffe støder vandmolekyler konstant sammen og udveksler derved dele af deres kinetiske energi. Hvis to særligt energiske molekyler støder sammen, kan det ene af dem blive hurtigt nok til at undslippe kaffen – det damper ud af koppen. Det andet molekyle forbliver med mindre energi. Sådan køler kaffen gradvist ned. På samme måde kan en gas køles ned til nogle få nanokelvin – milliarder af en grad over det absolutte nulpunkt ved minus 273,15 grader Celsius.

Men:"Hvis gassen består af molekyler, skal disse yderligere stabiliseres ved meget lave temperaturer," siger Luo. Årsagen ligger i den meget mere komplekse struktur af molekyler sammenlignet med ubundne atomer. Derfor er det svært at kontrollere deres bevægelser under kollisioner. Molekylerne kan klæbe sammen under kollisioner. Ydermere "opfører polære molekyler sig som bittesmå magneter, der kan klikke sammen, i hvilket tilfælde de går tabt til eksperimentet," forklarer Dr. Andreas Schindewolf, der forsker i Xin-Yu Luos team. Disse vanskeligheder har vist sig at være en enorm vejblokering for forskning i de senere år.

Mikrobølger holder molekylerne adskilt

For at overvinde denne forhindring stolede forskerne fra Garching på et trick:den yderligere anvendelse af et specielt forberedt elektromagnetisk felt, der tjener som et energisk skjold for molekylerne - og forhindrer dem i at hænge sammen. "Vi skabte dette energiskjold ved hjælp af et stærkt, roterende mikrobølgefelt," forklarer Andreas Schindewolf. "Feltet får molekylerne til at rotere med en højere frekvens." Hvis to molekyler kommer for tæt på hinanden, kan de derfor udveksle kinetisk energi – men samtidig retter de sig ind på en sådan måde, at de frastøder hinanden og hurtigt adskilles igen.

For at skabe et mikrobølgefelt med de nødvendige egenskaber placerede forskerne en spiralformet antenne under den optiske fælde, der indeholdt gassen fra natrium-kalium-molekyler. "Hastigheden, hvormed molekylerne blev sammenlåst, blev således reduceret med mere end én størrelsesorden," rapporterer Xin-Yu Luo. Derudover udviklede der sig under påvirkning af feltet en stærk og langtrækkende elektrisk interaktion mellem molekylerne. "Som et resultat kolliderede de meget hyppigere end uden det roterende mikrobølgefelt - i gennemsnit omkring 500 gange pr. molekyle," siger fysikeren. "Det var nok til at afkøle gassen tæt på det absolutte nulpunkt gennem fordampning."

En ny lavtemperaturrekord

Efter blot en tredjedel af et sekund nåede temperaturen omkring 21 nanokelvin - et godt stykke under den kritiske "Fermi-temperatur". Det markerer grænsen, under hvilken kvanteeffekter dominerer en gass adfærd - og bizarre fænomener begynder at opstå. "Den temperatur, vi har nået, er den laveste hidtil i en gas af polære molekyler," er Luo glad for at sige. Og Max Planck-forskeren mener, at de kan nå endnu langt lavere temperaturer gennem tekniske justeringer af forsøgsopstillingen.

Resultaterne kan få vidtrækkende konsekvenser for forskningen i kvanteeffekter og kvantestof. "Da den nye køleteknik er så enkel, at den også kan integreres i de fleste eksperimentelle opstillinger med ultrakolde polære molekyler, bør metoden snart finde udbredt anvendelse - og bidrage til en hel del nye fund," siger prof. Dr. Immanuel Bloch. Direktør for MPQ Division Quantum Many-Body Systems. "Mikrobølge-assisteret køling åbner ikke kun op for en række nye undersøgelser af ejendommelige tilstande af stof såsom supervæsker og supersolider," siger Bloch. "Desuden kunne det være nyttigt i kvanteteknologier." For eksempel i kvantecomputere, hvor data måske kunne lagres af ultrakolde molekyler. "Det er virkelig spændende tider for forskere, der arbejder på ultrakolde polære molekyler," siger Xin-Yu Luo. + Udforsk yderligere

Oprettelse af ultrakolde polyatomiske molekyler ved at indfange og afkøle dem i tre dimensioner