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Kalte Moleküle für die Quantentechnologie: TU Graz erschließt neue Molekülklasse#

TU Graz
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Physiker der TU Graz haben eine neue Molekülklasse erschlossen: Erstmals konnte das Molekül RbSr experimentell mittels suprakalter Heliumnanotröpfchen aus Rubidium- und Strontiumatomen hergestellt werden. Dies markiert einen wesentlichen Fortschritt in der ultrakalten Molekülphysik nahe dem absoluten Nullpunkt und erweitert die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung mittels Quantentechnologie. Das Forschungsergebnis wurde in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Physical Review Letters“ publiziert.

Quantentechnologien machen sich die quantenmechanischen Eigenschaften von Materiebausteinen und Licht zu Nutze. In der Welt der Atome wird Energie nicht in beliebiger Menge ausgetauscht, sondern nur in „Energiepaketen“ gewisser Größe, sogenannten Quanten. Im Vergleich zu Atomen stehen Molekülen sehr viel mehr Möglichkeiten offen, Energiepakete unterschiedlicher Größe aufzunehmen oder abzugeben. Sie besitzen mehr „Energiefreiheitsgrade“, und können noch dazu elektrische und magnetische Dipolmomente besitzen, die gewisse Manipulationen erlauben. Zusätzlich zu den Quanteneigenschaften der einzelnen Teilchen kommt ein besonderer Aspekt zum Tragen, wenn die Teilchen auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden, und aus einer klassischen Wolke von Atomen oder Molekülen ein Quantengas wird.

Was sind Quantengase?#

Die Erzeugung von atomaren Quantengasen hat in den vergangenen 19 Jahren eine Revolution in der Atomphysik ausgelöst. Quantengase bestehen aus extrem gekühlten Atomen, die auf Grund ihrer Wellennatur in einen neuen Materiezustand übergehen. Sie gehorchen dann einer sogenannten Quantenstatistik, die einem Ensemble aus Millionen von Atomen ein kollektives Verhalten verleiht, so dass sie sich zum Beispiel als kohärente Atomwelle analog zu einem gebündelten Laserlichtstrahl bewegen. Zu diesem Zweck werden die Atome gezielt mittels Lasern auf beinahe 0 Kelvin, also minus 273 Grad Celsius gekühlt, was dem absoluten Temperaturnullpunkt entspricht. „Derart gekühlt haben die Atome gänzlich veränderte Eigenschaften. Ihre thermische Bewegung kommt fast zum Stillstand, sie haben ‚Wellencharakter‘ und ‚verschmieren‘ zu einem neuartigen Kollektiv. Das hat von Quantensimulationen bis zu hochpräzisen Messinstrumenten eine Reihe neuer Möglichkeiten mit sich gebracht“, erklärt Wolfgang Ernst vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz. Rasch war klar, dass Experimente an zumindest zweiatomigen Molekülen breitere Perspektiven eröffnen würden als dies mit einzelnen Atomen der Fall ist. Unklar blieb zunächst: Eignen sich Moleküle für diese extreme Kühlung und wenn ja, welche Kühlungsmethode ist am wirksamsten?