Forscher beobachten erstmals exotische Bindungszustände in ultrakalten polaren Molekülen

Ein Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching hat erstmals Hinweise auf ein bisher nur vermutetes Phänomen beobachtet: Eine Theorie sagt voraus, dass exotische Bindungszustände entstehen können, wenn ultrakalte polare Moleküle kollidieren.

Sichtbare Veränderungen der Stoßeigenschaften weisen nun im Experiment darauf hin, dass dieser Effekt tatsächlich möglich ist. Die Forscher nutzten für ihre Untersuchungen ein speziell geformtes Mikrowellenfeld, mit dem sie das Zusammenspiel verschiedener Kräfte zwischen den Partikeln direkt beeinflussen können.

Auf diese Weise können „Supermoleküle“ entstehen: vergleichsweise große und nur schwach verknüpfte Konstrukte, die durch das Feld einer Mikrowelle gesteuert werden können und deren Existenz die Dynamik von Kollisionen zwischen ungebundenen Molekülen beeinflusst. Mit den neuen Ergebnissen schuf das Team ein vielseitiges experimentelles Werkzeug, um exotische Formen von Quantenmaterie aus ultrakalten Molekülen zu erzeugen. Das Papier erscheint diese Woche in Natur.

Vor etwa 20 Jahren sagten der US-Wissenschaftler John Bohn und seine Kollegen aufgrund theoretischer Überlegungen und Berechnungen eine neuartige Eigenheit von Molekülen voraus: Wenn die Moleküle eine asymmetrisch verteilte Ladung tragen – die Physiker sprechen von Polarität – können sie sich in einem elektrischen Feld verbinden schwach gebundene „Supermoleküle“ zu bilden.

Aber eine experimentelle Bestätigung der Vorhersage war nicht verfügbar – bis jetzt. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching hat nun erste Hinweise auf die Existenz solcher im Vergleich zu anderen Molekülen riesigen Konstrukte entdeckt. Die Forscher bestrahlten ein ultrakaltes Gas aus dipolaren Molekülen mit einem deformierbaren Mikrowellenfeld und stellten fest, dass sich die Eigenschaften des Gases stark veränderten – und zwar genau bei solchen Feldparametern, bei denen sich „Supermoleküle“ bilden sollten.

„Wenn zwei polare Moleküle aufeinandertreffen, verhalten sie sich ein bisschen wie zwei Kompassnadeln“, erklärt Dr. Xin-Yu Luo, der das Team am MPQ leitet. „Unter dem Einfluss des Erdmagnetfeldes zeigen beide Nadeln nach Norden. Die so parallel ausgerichteten Nadeln stoßen sich ab. Bringt man die Nadeln jedoch nahe genug zusammen, übersteigt die zwischen ihnen wirkende Kraft die Wirkung des Erdmagnetfeldes . Dadurch können sich die Nadeln so ausrichten, dass sie aufeinander zeigen und sich so anziehen.“

Ein ähnliches Zusammenspiel unterschiedlicher, gegensätzlicher Kräfte erfahren zwei polare Moleküle, wenn sie sich in einem äußeren elektrischen Feld annähern. „Die daraus resultierende Wechselwirkung kann entweder zu Abstoßung oder Anziehung zwischen den molekularen elektrischen Dipolen führen“, sagt der Garchinger Physiker. Entscheidend ist, welchen Quantenzustand die beiden Moleküle einnehmen.

Drastischer Kräftewechsel

Die Theorie sagt voraus, dass sich bei geeigneten Einstellungen des elektrischen Feldes die beiden Partner in einem bestimmten Abstand miteinander verbinden. Dabei entsteht für kurze Zeit ein „feldgekoppeltes Molekül“ – ein Konstrukt, das bis zu mehrere hundert Mal größer sein kann als ein einzelnes, ungebundenes Molekül. Ändert man die Parameter des elektrischen Feldes am kritischen Wert ein wenig, ändern sich die Kräfte zwischen den einzelnen Molekülen drastisch. Die Wissenschaftler sprechen dabei von einem Resonanzphänomen, das sie „feldgebundene Resonanz“ nennen.

In dem Experiment fand das Team am MPQ auch heraus, dass die Kollisionseigenschaften von Natrium-Kalium-Molekülen durch Einstellen der Frequenz oder Form des Mikrowellenfelds verändert werden konnten. Deshalb störten die Forscher das molekulare Gas mit einer stehenden Welle aus Laserlicht und beobachteten, wie schnell die Störung durch Kollisionen zwischen den Molekülen wieder verschwand.

„Regler zu finden, mit denen wir die Wechselwirkung zwischen ultrakalten Molekülen steuern können, ist für uns Quantenphysiker extrem wichtig“, erklärt Xing-Yan Chen, der an seinem Ph.D. auf diesem Experiment. „Für ultrakalte Atome gibt es bereits seit vielen Jahren geeignete Methoden – für komplexe ultrakalte polare Moleküle fehlte bisher eine universell anwendbare Technik.“

Rotierende Felder

Obwohl die zugrunde liegende Theorie weithin akzeptiert ist, konnten solche Resonanzen bisher nicht in Experimenten beobachtet werden. „Man ging davon aus, dass extrem hohe Feldstärken nötig wären, um ein feldgebundenes Molekül zu bilden“, erklärt Dr. Andreas Schindewolf, ein weiterer Forscher im Team. „Das angelegte Mikrowellenfeld dreht sich normalerweise im Kreis wie der Zeiger einer Uhr.“

Die Wissenschaftler hatten ein solches Feld im Jahr 2022 genutzt, um ultrakalte Moleküle zu stabilisieren und so die kältesten dipolaren Moleküle der Welt zu erzeugen. „Überraschenderweise stellten wir fest, dass eine unbeabsichtigte Verformung des Mikrowellenfeldes – wie ein Übergang zu einer Uhr mit elliptischem Ziffernblatt – das Resonanzverhalten induziert“, berichtet Schindewolf.

Angespornt durch diese Beobachtung entwickelten die Forscher eine spezielle Mikrowellenantenne, um das Feld kontrolliert zu verformen und so die Resonanz zu charakterisieren. „Gemeinsam mit Prof. Tijs Karman von der Radboud-Universität in den Niederlanden konnten wir unsere Resonanzmessungen mit theoretischen Berechnungen reproduzieren und so die Existenz zweier feldgebundener molekularer Zustände nachweisen“, sagt der Max-Planck-Physiker.

Exotische Quantenmaterie erzeugen

„Mit der Fähigkeit, die Wechselwirkung zwischen polaren Molekülen durch die feldgekoppelten Resonanzen zu steuern, können wir jetzt experimentell exotische Quantenmaterie erzeugen“, freut sich Xin-Yu Luo. Dies sollte es in Zukunft ermöglichen, einem molekularen Gas superfluide Eigenschaften zu verleihen.

„Weitere Erkenntnisse könnten darüber gewonnen werden, wie sich Teilchen in einer Supraflüssigkeit oder einem Supraleiter paaren“, ist Luo überzeugt. „Die feldgekoppelten Resonanzen könnten auch die Realisierung sogenannter Suprasolids mit Molekülen ermöglichen – ein Zustand, der gleichzeitig Eigenschaften eines Suprafluids und eines Festkörpers aufweist.“

Letztendlich wollen die Forscher am MPQ die Resonanzen nutzen, um einzelne Moleküle gezielt zu feldgekoppelten Molekülen zusammenzufügen, um die Supermoleküle zu stabilisieren und ihre exotischen Quanteneigenschaften auszunutzen.