11.04.2005 · Zweiatomige Cäsium-Moleküle vereinigen sich zu kalten Clustern Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt dominieren die Gesetze der Quantenphysik. Die Atome eines Gases beispielsweise verlieren ihren individuellen Charakter und kondensieren in einen kollektiven Zustand.
Von Manfred Lindinger
© Leopold-Franzens-
Laser-Aufbau für das Experiment
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt dominieren die Gesetze der Quantenphysik. Die Atome eines Gases beispielsweise verlieren ihren individuellen Charakter und kondensieren in einen kollektiven Zustand. Sie werden zu einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat, in dem sich die Atome reibungsfrei wie in einer Supraflüssigkeit bewegen können.
Mittlerweile ist es sogar gelungen, derartige Quantengase auch aus einfachen zweiatomigen Molekülen herzustellen. Rudolf Grimm von der Universität Innsbruck und seinen Kollegen ist jetzt noch ein weiterer „Quantencoup“ gelungen. Sie haben mit den ultrakalten Molekülen eine neue Art von Chemie getrieben und nahe dem Nullpunkt vieratomige Cluster erzeugt. Dabei handelt es sich offenkundig um die komplexesten Gebilde, die man bisher bei derart tiefen Temperaturen hergestellt hat.
Kein leichtes Unterfangen
Ausgangspunkt der Experimente waren rund 200.000 Cäsiumatome, die die Forscher mit zwei infraroten Laserstrahlen auf engstem Raum in der Schwebe hielten und von ursprünglich Raumtemperatur auf 50 milliardstel Grad über dem Nullpunkt kühlten. Bei diesen extremen Bedingungen kondensierten alle Teilchen gemeinsam in den Quantenzustand tiefster Energie.
© Leopold-Franzens-
Arbeitsgruppe „Ultrakalte Atome und Quantengase” v.l.: Johannes Hecker Denschlag, Selim Jochim, Cheng Chin, Reece Geursen, Stefan Riedl, Rudolf Grimm, Markus Bartenstein, Alexander Altmeyer
Mit kurzen magnetischen Pulsen brachten sie dann einige Atome des Bose-Einstein-Kondensats dazu, miteinander zu kollidieren und sich zu etwa 11.000 zweiatomigen Molekülen, sogenannten Dimeren, zu verbinden. Kein leichtes Unterfangen, schließlich mußte die Kollisionsenergie exakt der Bindungsenergie der Dimere entsprechen.
Moleküle in Bewegung
Nachdem man die Moleküle von den übrigen Atomen getrennt hatte, gingen die Forscher einen Schritt weiter. Grimm und seine Kollegen setzten die Dimere, die sich ebenfalls im tiefsten möglichen Quantenzustand befanden, wie schon zuvor die Atome einem fein justierten Magnetfeld aus, was die Moleküle in Bewegung versetzte.
Bei einer bestimmten Feldstärke kam es zu einem magnetischen Resonanzeffekt, der die Moleküle schließlich dazu brachte, sich paarweise zu vieratomigen Clustern zu vereinigen. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der „Physical Review Letters“ (Bd.94, Nr.123201) berichten, betrug die Ausbeute einige tausend vieratomige Moleküle.
Der gleiche Energiezustand
Über die Eigenschaft der kalten vieratomigen Aggregate wissen die Forscher noch recht wenig. Zumindest ist soviel sicher: Die Cäsiumatome werden von den vergleichsweise schwachen Van-der-Waals-Bindungen zusammengehalten. Diese sind offenkundig aber doch so stabil, daß die Cluster einige Sekunden unbeschadet überstehen können, bevor sie in ihre Bestandteile zerfallen.
Erste Untersuchungen haben ergeben, daß die vieratomigen Moleküle sich alle im gleichen inneren Energiezustand befinden, sie also ein und dasselbe Schwingungsverhalten an den Tag legen. Die Cluster bilden allerdings kein Bose-Einstein-Kondensat. Dazu führen sie trotz ihrer rund 250 milliardstel Kelvin noch immer zu starke Schwingungen aus. Für Grimm und seine Kollegen eröffnen die Versuche neue Möglichkeiten, die Eigenschaften von Molekülen wie deren Bindungsenergien oder Bindungsabstände präzise zu studieren, was bei Raumtemperatur kaum möglich ist. Zudem glauben sie, mit ihrem Verfahren noch größere Cluster herstellen zu können.
