Einem Team aus Experimentatoren am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und Theoretikern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ist es erstmals gelungen, einen neuen Molekültyp, sogenannte feldgebundene tetratome Moleküle, zu besiedeln und zu stabilisieren . Diese „Supermoleküle“ sind so zerbrechlich, dass sie nur bei ultrakalten Temperaturen existieren können. Ihre Existenz wurde schon lange vermutet, konnte aber bislang nie experimentell nachgewiesen werden.
Die in dieser neuen Studie erzeugten mehratomigen Moleküle bestehen aus mehr als zwei Atomen und wurden erfolgreich auf 134 Nanokelvin abgekühlt – mehr als 3.000 Mal kälter als die Temperatur zuvor erzeugter vieratomiger Moleküle. Diese Errungenschaft ist nicht nur eine neuartige Leistung in der Molekularphysik, sondern auch ein bedeutender Fortschritt bei der Erforschung exotischer ultrakalter Materie. Die Forschung ist veröffentlicht In Natur.
Vor etwa zwei Jahrzehnten sagten der amerikanische theoretische Physiker John Bohn und seine Kollegen eine neuartige Art der Bindung zwischen polaren Molekülen voraus: Wenn die Moleküle eine asymmetrisch verteilte Ladung tragen – was Physiker Polarität nennen – können sie sich in einem elektrischen Feld zu schwach gebundenen „Supermolekülen“ verbinden .“
Das Verhalten dieser polaren Moleküle kann man sich wie Kompassnadeln in einer harten Hülle vorstellen. Wenn Kompassnadeln nahe beieinander liegen, erfahren sie eine Anziehungskraft, die stärker ist als das Erdmagnetfeld, und sie zeigen aufeinander zu, statt nach Norden auszurichten.
Ein ähnliches Phänomen kann bei polaren Molekülen beobachtet werden, die unter bestimmten Bedingungen über elektrische Kräfte einen einzigartigen Bindungszustand bilden können. Ihre Bindung erinnert ein wenig an ein tanzendes Paar, das sich aneinander hält und gleichzeitig stets einen gewissen Abstand einhält.
Der Bindungszustand der Supermoleküle ist weitaus schwächer als typische chemische Bindungen, aber gleichzeitig auch viel weiterreichend. Supermoleküle teilen sich eine Bindungslänge über Distanzen, die mehrere Hundert Mal länger ist als die normal gebundener Moleküle.
Aufgrund dieser großen Reichweite sind solche Supermoleküle sehr empfindlich: Werden die Parameter des elektrischen Feldes bei einem kritischen Wert nur wenig verändert, ändern sich die Kräfte zwischen den Molekülen dramatisch – ein Phänomen, das als „feldgebundene Resonanz“ bezeichnet wird. “ Dadurch können die Forscher die Form und Größe der Moleküle mit einem Mikrowellenfeld flexibel variieren.
Ein Theaterstück in drei Teilen: Von zweiatomigen zu vieratomigen Molekülen
Ultrakalte mehratomige Moleküle enthalten eine reichhaltige innere Struktur, die aufregende neue Möglichkeiten in der Kaltchemie, Präzisionsmessungen und der Quanteninformationsverarbeitung bietet. Ihre hohe Komplexität im Vergleich zu zweiatomigen Molekülen stellt jedoch eine große Herausforderung für den Einsatz herkömmlicher Kühltechniken wie direkte Laserkühlung und Verdunstungskühlung dar.
Forscher im „NaK Lab“ (Natrium-Kalium-Labor) am MPQ unter der Leitung von Dr Natur-veröffentlichte Entdeckungen in den letzten Jahren, die entscheidend waren, um diese Herausforderung endgültig zu meistern.
Zunächst erfanden Forscher in diesem Labor im Jahr 2021 eine neuartige Kühltechnik für polare Moleküle mithilfe eines leistungsstarken rotierenden Mikrowellenfelds und stellten damit einen neuen Tieftemperaturrekord auf: 21 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius.
Ein Jahr später gelang es den Forschern, die notwendigen Voraussetzungen zu schaffen, um die Signatur der Bindung zwischen diesen Molekülen erstmals in Streuexperimenten zu beobachten. Dies lieferte den ersten indirekten Beweis für die Existenz dieser theoretisch schon lange vorhergesagten exotischen Konstrukte.
Nun gibt es sogar einen direkten Beweis dafür, dass es den Forschern in ihrem Experiment gelungen ist, diese Supermoleküle zu erzeugen und zu stabilisieren. Die Abbildung dieser „Supermoleküle“ enthüllte ihre p-Wellen-Symmetrie – ein einzigartiges Merkmal, das für die Realisierung topologischer Quantenmaterialien von entscheidender Bedeutung ist und wiederum für fehlertolerante Quantenberechnungen relevant sein kann.
„Diese Forschung wird unmittelbare und weitreichende Auswirkungen haben“, sagt Xing-Yan Chen, Ph.D. Kandidat und Erstautor der Arbeit. „Da die Methode auf ein breites Spektrum molekularer Spezies anwendbar ist, ermöglicht sie die Erforschung einer viel größeren Vielfalt ultrakalter mehratomiger Moleküle. In Zukunft könnte sie die Schaffung noch größerer und langlebigerer Moleküle ermöglichen, die insbesondere für die Präzision interessant wären.“ Metrologie oder Quantenchemie.“
„Zu diesen Erkenntnissen kamen wir auch dank unserer engen Zusammenarbeit mit Prof. Tao Shi und seinem Team vom CAS“, fügt Dr. Luo, der Hauptforscher des Experiments, hinzu. „Unser nächstes Ziel ist es, diese bosonischen ‚Supermoleküle‘ weiter abzukühlen, um ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) zu bilden, in dem sich die Moleküle gemeinsam bewegen. Diese Aussicht birgt wichtiges Potenzial für unser grundlegendes Verständnis der Quantenphysik. Noch erstaunlicher ist das Durch einfaches Abstimmen eines Mikrowellenfelds kann sich ein BEC aus „Supermolekülen“ in eine neuartige Quantenflüssigkeit aus fermionischen Molekülen verwandeln, die die spezielle p-Wellen-Symmetrie bewahrt.“
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Xing-Yan Chen et al., Ultrakalte feldgebundene tetratomische Moleküle, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06986-6