Wanneer een sterk verdund gas wordt afgekoeld tot extreem lage temperaturen, komen bizarre eigenschappen aan het licht. Zo vormen sommige gassen een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat - een soort materie waarin alle atomen tegelijk bewegen. Een ander voorbeeld is supersoliditeit:een toestand waarin materie zich gedraagt ​​als een wrijvingsloze vloeistof met een periodieke structuur. Natuurkundigen verwachten bijzonder diverse en onthullende vormen van kwantummaterie te vinden bij het koelen van gassen bestaande uit polaire moleculen. Ze worden gekenmerkt door een ongelijke verdeling van de elektrische lading. In tegenstelling tot vrije atomen kunnen ze roteren, trillen en elkaar aantrekken of afstoten. Het is echter moeilijk om moleculaire gassen af ​​te koelen tot ultralage temperaturen. Een team van onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in Garching heeft nu een eenvoudige en effectieve manier gevonden om deze wegversperring te overwinnen. Het is gebaseerd op een roterend veld van microgolven.

Een proces zoals in een kopje koffie

Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers een gas van natrium-kalium (NaK) moleculen die door laserlicht in een optische val werden opgesloten. Om het gas af te koelen, vertrouwde het team op een methode die al lang effectief is gebleken voor het koelen van ongebonden atomen:de zogenaamde verdampingskoeling. "Deze methode werkt vergelijkbaar met het bekende proces, waarbij een kop hete koffie afkoelt", zegt Dr. Xin-Yu Luo, hoofd van het Laboratory for Ultracold Polar Molecules in de Division of Quantum Many-Body Systems bij de MPQ :In koffie botsen watermoleculen voortdurend en wisselen daardoor delen van hun kinetische energie uit. Als twee bijzonder energetische moleculen botsen, kan een van hen snel genoeg worden om aan de koffie te ontsnappen - het stoomt uit het kopje. Het andere molecuul blijft met minder energie over. Zo koelt de koffie geleidelijk af. Op dezelfde manier kan een gas worden afgekoeld tot enkele nanokelvin - miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt bij min 273,15 graden Celsius.

Maar:"Als het gas uit moleculen bestaat, moeten deze bovendien bij zeer lage temperaturen worden gestabiliseerd", zegt Luo. De reden ligt in de veel complexere structuur van moleculen in vergelijking met ongebonden atomen. Daarom is het moeilijk om hun bewegingen tijdens botsingen te beheersen. De moleculen kunnen bij botsingen aan elkaar plakken. Bovendien gedragen "polaire moleculen zich als kleine magneten die in elkaar kunnen klikken, in welk geval ze verloren gaan voor het experiment", legt dr. Andreas Schindewolf uit, die onderzoek doet in het team van Xin-Yu Luo. Deze moeilijkheden zijn de afgelopen jaren een enorme belemmering gebleken voor onderzoek.

Magnetrons houden de moleculen uit elkaar

Om dit obstakel te overwinnen, vertrouwden de onderzoekers uit Garching op een truc:de extra toepassing van een speciaal geprepareerd elektromagnetisch veld dat dient als een energetisch schild voor de moleculen, waardoor ze niet aan elkaar plakken. "We hebben dit energieschild gemaakt met behulp van een sterk, roterend microgolfveld", legt Andreas Schindewolf uit. "Het veld zorgt ervoor dat de moleculen met een hogere frequentie roteren." Als twee moleculen te dicht bij elkaar komen, kunnen ze dus kinetische energie uitwisselen, maar tegelijkertijd richten ze zich zo op dat ze elkaar afstoten en snel weer uit elkaar gaan.

Om een ​​microgolfveld met de vereiste eigenschappen te creëren, plaatsten de onderzoekers een spiraalvormige antenne onder de optische val die het gas van natrium-kaliummoleculen bevat. "De snelheid waarmee de moleculen in elkaar grijpen, werd dus met meer dan één orde van grootte verminderd", meldt Xin-Yu Luo. Bovendien ontwikkelde zich onder invloed van het veld een sterke en lange-afstands elektrische interactie tussen de moleculen. "Als gevolg daarvan kwamen ze veel vaker met elkaar in botsing dan zonder het roterende microgolfveld - gemiddeld ongeveer 500 keer per molecuul", zegt de natuurkundige. "Dat was genoeg om het gas door verdamping tot bijna het absolute nulpunt af te koelen."

Een nieuw record bij lage temperaturen

Na slechts een derde van een seconde bereikte de temperatuur ongeveer 21 nanokelvin, ruim onder de kritische "Fermi-temperatuur". Het markeert de grens waaronder kwantumeffecten het gedrag van een gas domineren - en er beginnen zich bizarre verschijnselen te voordoen. "De temperatuur die we hebben bereikt is de laagste tot nu toe in een gas van polaire moleculen", zegt Luo tevreden. En de Max Planck-onderzoeker gelooft dat ze nog veel lagere temperaturen kunnen bereiken door technische verfijningen aan de experimentele opstelling.

De resultaten kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor onderzoek naar kwantumeffecten en kwantummaterie. "Omdat de nieuwe koeltechniek zo eenvoudig is dat deze ook kan worden geïntegreerd in de meeste experimentele opstellingen met ultrakoude polaire moleculen, zou de methode binnenkort wijdverbreide toepassing moeten vinden - en bijdragen aan een flink aantal nieuwe bevindingen", zegt prof. dr. Immanuel Bloch, Directeur van de MPQ-divisie Quantum Many-Body Systems. "Door microgolven ondersteunde koeling opent niet alleen een reeks nieuwe onderzoeken naar eigenaardige toestanden van materie zoals supervloeistoffen en supervaste stoffen", zegt Bloch. "Bovendien zou het nuttig kunnen zijn in kwantumtechnologieën." Bijvoorbeeld in kwantumcomputers, waar gegevens misschien kunnen worden opgeslagen door ultrakoude moleculen. "Dit zijn echt opwindende tijden voor onderzoekers die werken aan ultrakoude polaire moleculen", zegt Xin-Yu Luo. + Verder verkennen

Ultrakoude polyatomische moleculen maken door ze in drie dimensies te vangen en af ​​te koelen