Mithilfe einer neu entwickelten „Elektroassoziations“-Technik wurden schwach gebundene vieratomige Moleküle erzeugt, die mehr als 3000-mal kälter sind als alle bisherigen vieratomigen Moleküle. Die Arbeit, die auf einem Vorschlag aus dem Jahr 2003 basiert, könnte es ermöglichen, noch größere Moleküle bei ultrakalten Temperaturen zusammenzubauen, Studien zur Supraflüssigkeit und Supraleitung zu eröffnen und sogar Anwendungen im Quantencomputing zu finden.

Im Jahr 2003 theoretischer Physiker Johannes Bohn von JILA in Boulder, Colorado, war Teil eines Teams unter der Leitung des renommierten Experimentators Debora Jin, der 2015 starb. Sie untersuchten die Auswirkungen von Magnetfeldern auf ultrakalte fermionische Gase. Die Forscher entdeckten, dass die Atome schwach gebundene zweiatomige Moleküle bildeten, wenn sie den Wert des Feldes über eine sogenannte Feshbach-Resonanz abstimmten, bei der die Bindungsenergie der der Moleküle entsprach. Dieser Vorgang wurde später als Magnetoassoziation bekannt.

Dann, im Jahr 2008, ein Team unter der Leitung von Jin und ihrem Kollegen von der University of Colorado Jun Ye demonstrierten die Umwandlung dieser fragilen Dimere in Grundzustandsmoleküle mithilfe einer dreistufigen Laserkühlungstechnik namens STIRAP (stimulierte adiabatische Raman-Passage). Die beiden Techniken wurden anschließend von unzähligen anderen Gruppen verwendet, um ultrakalte Dimere für eine Vielzahl von Anwendungen wie das Studium der Quantenchemie herzustellen.

Die Magnetoassoziation funktioniert jedoch nur bei Teilchen mit magnetischen Dipolmomenten – das heißt, sie müssen ungepaarte Elektronen haben. Jins Gruppe arbeitete mit Kaliumatomen, die magnetisch sind. Sobald sie sich zu zweiatomigen Kaliummolekülen verbinden, reagieren sie nicht mehr auf Magnetfelder.

Warum nicht Elektroassoziation?

Im selben Jahr gründeten Bohn und Kollegen Aleksandr Avdeenkov veröffentlichte einen theoretischen Artikel, der darauf hinwies, dass es möglich sein könnte, nichtmagnetische Moleküle zur Paarung zu bewegen, wenn sie ein elektrisches Dipolmoment hätten: „Magnetoassoziation gab es, also dachten wir, warum nicht auch Elektroassoziation?“ sagt Bohn: „Wir haben nicht weiter darüber nachgedacht.“

Im Jahr 2023 jedoch unter Verwendung einer modifizierten Version von Bohns ursprünglichem Vorschlag, Xin Yu Luo vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland und Kollegen platzierten stark gebundene, ultrakalte Natrium-Kalium-Moleküle (hergestellt durch Magnetoassoziation und STIRAP) in einem oszillierenden externen Mikrowellenfeld. Bei bestimmten Feldwerten fanden sie spektroskopische Hinweise auf einen Resonanzzustand, der anders war als alles, was zuvor zwischen Molekülpaaren beobachtet wurde. In diesem Zustand tanzten die beiden Moleküle parallel, während ihre eigenen elektrischen Dipolmomente das angelegte Potential veränderten. Die resultierende Wechselwirkung war auf kurze Entfernungen abstoßend, auf große Entfernungen jedoch anziehend, was zu einem gebundenen Zustand führte, der etwa 1000-mal größer war als die Durchmesser der einzelnen Moleküle. Zu diesem Zeitpunkt hatten die Forscher jedoch nur Beweise dafür, dass der Staat existierte – keine kontrollierten Mittel, um Partikel darin zu platzieren.

Zirkular polarisierte Mikrowellen

In der neuen Arbeit fanden die Max-Planck-Forscher und Kollegen von der Wuhan-Universität in China heraus, dass sie einige von ihnen dazu veranlassen konnten, bei Temperaturen um 100 nK ein zirkular polarisiertes Mikrowellenfeld auf Natrium-Kalium-Moleküle anzuwenden, bevor die Elliptizität des Feldes erhöht wurde bilden Tetramere. Dem Team gelang es auch, die Tetramere zu dissoziieren und anhand der Form der freigesetzten Dimere die Wellenfunktion des Tetramers abzubilden. Sie beschreiben dies in Natur.

„Die Bindungsenergie liegt im Hochfrequenzmaßstab“, sagt Luo. „Sie ist mehr als zehn Größenordnungen schwächer als die typische chemische Bindungsenergie.“

Die Forscher hoffen nun, mit STIRAP stark gebundene Tetramere herzustellen. Dies werde keine leichte Aufgabe sein, sagt Luo, da dafür ein geeignetes mittleres Energieniveau erforderlich sei und Tetramere viel mehr Energieniveaus hätten als Dimere. „Selbst für mich ist es eine offene Frage, ob wir im Wald der Energieniveaus einen geeigneten Zustand finden können“, sagt Luo. Wenn dies jedoch gelingt, besteht die verlockende Möglichkeit, die Technik zu wiederholen, um immer größere Moleküle aufzubauen.

Die Forscher wollen ihre Moleküle auch weiter in ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) abkühlen. Sie würden dann zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung des Übergangs zwischen dem BEC-Zustand und dem Bardeen-Cooper-Schrieffer-Zustand (BCS) der Supraleitung werden. Dieser Übergang ist entscheidend für das Verständnis der Hochtemperatursupraleitung. Ein solches Werkzeug würde es Physikern ermöglichen, die Bestandteile des Kondensats zwischen fermionischen Dimeren und bosonischen Tetrameren einfach durch Abstimmung des Mikrowellenfelds abzustimmen. Dies würde es ihnen ermöglichen, ein BEC in ein entartetes Fermi-Gas umzuwandeln, das Cooper-Paare unterstützt.

In der Zukunft könnte das System sogar für Quantencomputer nützlich sein, da theoretische Vorhersagen darauf hindeuten, dass es topologisch geschützte Majorana-Nullmoden unterstützen sollte, die zur Erzeugung rauschresistenter Qubits verwendet werden könnten.

Bohn beschreibt die Arbeit von Luo und Kollegen als fantastisch und fügt hinzu: „Sie ist nicht nur gut gemacht, sondern es ist auch etwas, auf das viele Menschen schon lange gehofft haben.“ Nachdem er das Papier der Gruppe aus dem Jahr 2023 gelesen hatte, arbeitete er mit zwei Kollegen zusammen, um einen theoretischen Rahmen zu entwickeln, der in beschrieben wird Physical Review Letters im Juli 2023, um auf der Grundlage der Ergebnisse der Gruppe eine Elektroassoziation zu erreichen und die ideale Geschwindigkeit zur Änderung der Felder aufzuzeigen. „Während wir das machten, führten sie bereits das Experiment durch“, sagt er; „Offensichtlich haben sie das ganz alleine herausgefunden.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/