Non-stick vacuum wall collisions with a laser-coolable molecule

Auf der Suche nach dem Bau von Quantencomputern und dem Testen der tiefsten Gesetze der Physik wenden sich Wissenschaftler oft an Atome und Moleküle als ihre Bausteine. Während Atome relativ einfach sind, bieten Moleküle eine viel reichere interne Struktur mit Möglichkeiten des Spinns und Vibrierens, die enorme Mengen an Informationen speichern können. Um diese Moleküle jedoch für die Technologie nutzen zu können, müssen sie verlangsamt und auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Dies geschieht üblicherweise mit Lasern, die wie eine sanfte Bremse wirken, aber der Prozess erfordert, dass die Moleküle in einer Vakuumkammer überleben, ohne gegen die Wände zu stoßen. Jahrzehntelang war die vorherrschende Meinung, dass ein Molekül, wenn es gegen eine Raumtemperatur-Wand stößt, kleben bleiben, seine Energie verlieren und für immer verloren gehen würde. Diese Annahme zwang Forscher dazu, massive, komplexe Maschinen zu bauen, um die Moleküle in der Schwebe zu halten, was das Feld auf große Laboratorien beschränkte und die Erstellung tragbarer Geräte verhinderte.

Ein Team von Forschern am Fritz-Haber-Institut in Berlin hat diese lang gehegte Annahme infrage gestellt, indem sie ein spezifisches Molekül namens Aluminiummonofluorid untersuchten. Sie entdeckten, dass sich dieses Molekül auf überraschende Weise verhält, wenn es auf eine Oberfläche trifft. Anstatt kleben zu bleiben und zu „sterben“, prallt es ab und behält seine Fähigkeit bei sich, durch Licht manipuliert zu werden. Durch die sorgfältige Messung, wie sich diese Moleküle nach dem Aufprall auf eine Wand verhalten, fanden die Forscher heraus, dass sie Dutzende von Kollisionen überleben können, ohne verloren zu gehen. Diese Entdeckung öffnet die Tür zur Schaffung kleiner, tragbarer Behälter, die diese Moleküle halten und kühlen können, was die fortschrittliche Quantentechnologie potenziell aus dem Labor in die reale Welt bringen könnte.

Die Forscher begannen damit, einen stetigen Strahl von Aluminiummonofluorid-Molekülen auf eine Testoberfläche innerhalb einer Vakuumkammer abzufeuern. Sie verwendeten eine spezielle Kamera und einen Laser, um zu beobachten, was passierte, wenn die Moleküle die Wand trafen. In einem typischen Szenario würde man erwarten, dass die Moleküle wie Staub auf einer Fensterscheibe an der Oberfläche haften bleiben. Die Forscher beobachteten jedoch, dass die Moleküle abprallten und sich weiter bewegten. Durch die Analyse der Geschwindigkeit und Richtung der Moleküle, während sie die Wand verließen, stellten sie fest, dass die Moleküle ihre Geschwindigkeit vollständig an die Temperatur der Wand angepasst hatten. Es war, als hätten die Moleküle eine kurze Pause eingelegt, um sich an die Oberflächentemperatur anzupassen oder von ihr aufzuwärmen bzw. abzukühlen, bevor sie abprallten, wobei sie jegliche Erinnerung daran verloren, wie schnell sie bei der Ankunft waren. Dieser Prozess geschah so schnell, dass die Moleküle weniger als fünf Millionstel einer Sekunde auf der Wand verbrachten, bevor sie in die Gasphase zurückkehrten.

Um genau zu verstehen, wie oft diese Moleküle hängen bleiben, entwarf das Team ein kleines, zylindrisches Lagergefäß. Sie schossen Pulse der Moleküle in diesen Behälter und beobachteten, wie lange es dauerte, bis die Anzahl der Moleküle im Inneren sank. Wenn die Wände „klebrig“ waren, würden die Moleküle schnell verschwinden, da sie an der Oberfläche haften blieben. Wenn die Wände „rutschig“ waren, würden die Moleküle lange Zeit hin und her springen. Sie testeten drei verschiedene Arten von Wänden: blankes Kupfer, einen gängigen Kunststoff namens PTFE und ein Kupfergefäß, das mit einem Silikon-basierten Polymer namens PDMS beschichtet war. Die blanken Kupferwände waren sehr klebrig und fingen die Moleküle fast sofort ein. Die Kunststoffwände waren besser, verloren aber dennoch eine signifikante Anzahl an Molekülen. Die mit Silikon beschichteten Wände hingegen waren bemerkenswert effektiv. Wenn diese Moleküle auf diese Oberfläche trafen, prallten sie mit einer Haftwahrscheinlichkeit von nur etwa 1,5 Prozent ab. Das bedeutet, dass von hundert Molekülen, die die Wand trafen, neunundneunzig oder neunundneunzig zurück in die Luft sprangen.

Diese niedrige Haftrate ermöglichte es den Forschern, eine dichte Wolke von Molekülen im Lagergefäß anzusammeln, obwohl der Behälter auf Raumtemperatur war. Es gelang ihnen, den Behälter mit fast einhundert Millionen Molekülen pro Kubikzentimeter zu füllen, eine Dichte, die hoch genug ist, um für Experimente nützlich zu sein. Diese Errungenschaft ist bedeutend, weil sie beweist, dass man nicht die gesamte Apparatur auf extrem niedrige Temperaturen kühlen muss, um diese Moleküle einzufangen. Stattdessen kann ein einfacher Behälter bei Raumtemperatur mit der richtigen Beschichtung sie lange genug halten, um sie zu kühlen und zu untersuchen. Die Forscher bestätigten auch, dass die Moleküle während dieser Kollisionen nicht chemisch mit der Oberfläche reagierten oder zerfielen, was eine kritische Voraussetzung für die Verwendung in Präzisionsmessungen ist.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über das Aluminiummonofluorid hinaus. Die Ergebnisse legen nahe, dass es möglich ist, kompakte, tragbare Geräte zum Einfangen neutraler Moleküle zu entwickeln, die für das Quantencomputing oder das Sensieren exotischer Kräfte verwendet werden könnten. Das Team sieht eine Zukunft vor, in der ein lasergekühltes Molekül-Trap klein genug sein könnte, um auf einen Tisch oder sogar in ein Handgerät zu passen, anstatt eine raumfüllende Maschine zu erfordern. Sie merkten auch an, dass die von ihnen verwendete Silikonbeschichtung bereits dafür bekannt ist, gut mit anderen Atomen zu funktionieren, was einen breiteren Weg für viele Arten von Teilchen ebnet. Während die Forscher noch untersuchen, wie sie solche Systeme weiter verbessern können, etwa indem sie Licht nutzen, um mehr Moleküle von der Beschichtung zu lösen, ist ihr primäres Ergebnis klar: Die Wand ist kein Ende. Mit der richtigen Oberfläche können Moleküle die Kollision überstehen, was einen neuen und einfacheren Weg in die Zukunft der Quantenwissenschaft bietet.