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Quantenphysik: Quantengas aus polaren Molekülen hergestellt

Ein Team um Deborah Jin vom University of Colorado in Boulder hat das erste stabile Quantengas aus Molekülen mit einem großen elektrischen Dipolmoment erzeugt. Im Gegensatz zu anderen Quantengasen treten die Partikel darin über relativ große Distanzen miteinander in Wechselwirkung. Auf diese Weise können Physiker eine breite Palette an Quantenphänomenen untersuchen.

Frühere Versuche, aus solchen Molekülen ein Quantengas herzustellen, waren gescheitert, da es unmöglich schien, sie auf die dafür benötigten tiefen Temperaturen herunterzukühlen. Jin und ihre Kollegen lösten nun das Problem mit einer speziellen Lasertechnik. Ausgangspunkt war ein kaltes Gasgemisch aus Kalium- und Rubidiumatomen, das sie einem magnetischen Feld aussetzten. Letzteres bewirkte eine schwache Anziehung zwischen einzelnen Kalium-Rubidium-Paaren und führte so zu den polaren Molekülen.

Herstellung von Quantengas | Die obere Illustration (I) zeigt ein Gas aus ultrakaltem Kalium- (K) und Rubidium-Molekülen (Rb). Auf Bild II führt das angelegte Magnetfeld zu lose gebundenen Molekülen. Darunter (III) sind bereits polare Moleküle entstanden, denen mit Hilfe von zwei Lasern die innerer Energie entzogen wird. In Illustration IV richten sich die Moleküle auf Grund der positiven Ladung des Rubidiums und der negativen des Kaliums in einem elektrischen Feld aus.
Die entstandenen Verbindungen erwiesen sich jedoch als relativ ausgedehnt und besaßen hohe innere Energien: Sie rotierten, und ihre Atome schwangen gegeneinander. Um ihnen diese Energie zu nehmen, beschossen die Forscher die Moleküle mit infrarotem Laserlicht zweier Wellenlängen. Die Verbindungen gaben daraufhin ihre Energie in Form von Photonen ab, die aus dem Gasgemisch entwichen – ohne es, wie bei anderen Verfahren, dabei aufzuheizen.

Die Mehrheit der Moleküle befand sich danach in niedrigsten Vibrations- und Rotationsenergiezuständen mit einer Temperatur von 350 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und einer Dichte von einer Billion Teilchen pro Kubikzentimeter. Das Dipolmoment eines Moleküls betrug 0,566 Debye – beim Wassermolekül liegt es dreimal so hoch.

Mitte der 1990er Jahre hatten Physiker erstmals ein Quantengas erzeugt. Hierbei liegen die Atome oder Moleküle auf Grund der starken Abkühlung sehr nahe beieinander und besitzen extrem wenig Energie. Das Verhalten des gesamten Systems lässt sich nicht mehr durch die klassische Physik, sondern nur mit Hilfe der Quantenmechanik beschreiben. (mp)

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