Laser stoppt Moleküldrehung

Die Laserkühlung hat sich als Verfahren bewährt, freie Atome nahezu zum Stillstand zu bringen. Einem Molekül auf diese Weise seine Bewegungsenergie zu entziehen, stellt sich technisch aber weitaus schwieriger dar. Denn selbst wenn es sich an einer festen Position befindet, kann sich das Molekül immer noch drehen. Ein Forscherteam um Chien-Yu Lien von der Northwestern University in Illinois zeigt im Fachblatt „Nature Communications”, wie es die Drehbewegungen von Molekülen mit einem einzigen Laser in Sekundenbruchteilen stoppen konnte.

Je höher die ungeordnete Bewegung in einem System, desto höher ist seine Temperatur. Die herumschwirrenden Atome eines Gases lassen sich durch Wechselwirkung mit einem Laser abbremsen, wodurch das System gekühlt wird. Dabei macht man sich zunutze, dass ein Atom ein Lichtteilchen absorbieren und kurz darauf wieder aussenden kann. Es erfährt dadurch effektiv einen kleinen Rückstoß. Richtig eingestellt, bremst der Laser die Atome durch diese Stöße ab. Da Atome ein vergleichsweise überschaubares Anregungsspektrum besitzen, gelingt die Anpassung der Laserfrequenz wesentlich leichter als bei Molekülen. Bei deren komplizierter Energielandschaft müsste man den Laser auf jede mögliche Schwingungs- und Rotationsform einzeln abstimmen oder viele Laser einsetzen.

Lien und seine Kollegen kombinierten nun all die nötigen Laser in einem einzigen. „Wir modifizieren das Spektrum eines Breitbandlasers so, dass die beleuchteten Moleküle nahezu ihre gesamte Rotationsenergie abgeben“, erläutert der Koautor Brian Odom, ebenfalls von der Northwestern University. Lichtfrequenzen, die die Moleküle schneller rotieren lassen würden, filterten die Wissenschaftler heraus. Mit den verbleibenden Frequenzen des angepassten Lasers bestrahlten sie ein Gas aus elektrisch einfach geladenen Aluminiumhydridionen. Im Zustand tiefstmöglicher Energie, dem quantenmechanischen Grundzustand, befanden sich nach der Bestrahlung 95 Prozent der Moleküle. Die Temperatur des Gases fiel in etwa einer zehntel Sekunde von Raumtemperatur auf vier Grad über den absoluten Nullpunkt, nahe der Temperatur des interstellaren Raumes.

Ist die temperaturbestimmte, ungeordnete Bewegung einmal unter Kontrolle gebracht, können die Moleküle effizient ausgerichtet werden. Das spielt eine entscheidende Rolle, will man chemische Reaktionen von polaren Molekülen – das heißt solche mit elektrisch positiv und negativ geladenen Abschnitten – steuern. Aber nicht nur in der ultrakalten Chemie, auch zu Präzisionstests fundamentaler Konstanten soll die neue Kühltechnik beitragen.