A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

Um die hier beschriebene Arbeit zu verstehen, muss man zuerst eine einfache, aber kraftvolle Idee der Physik begreifen: Um das wahre Wesen eines Moleküls zu sehen, muss man es am Bewegen hindern. In der natürlichen Welt sind Atome und Moleküle in ständiger, hektischer Bewegung, kollidieren und rotieren so schnell, dass ihre internen Signale ineinander verschwimmen. Wissenschaftler nutzen eine Technik namens Matrixisolation, um dies zu lösen. Sie sperren ein spezifisches Molekül in einen festen Block eines harmlosen, inerten Gases, wie etwa Neon, und frieren diesen Block auf Temperaturen ab, die kälter als der tiefe Weltraum sind. In diesem gefrorenen, starren Käfig wird das Molekül perfekt ruhig gehalten, was es den Forschern ermöglicht, sein Verhalten mit extremer Präzision zu untersuchen. Diese Methode ist besonders wertvoll bei der Suche nach einer geisterhaften Eigenschaft des Elektrons, dem elektrischen Dipolmoment. Sollte diese Eigenschaft existieren, würde sie unser Verständnis der fundamentalen Gesetze des Universums erschüttern, aber sie ist so winzig, dass sie die stillste, leiseste Umgebung überhaupt erfordert, um nachgewiesen zu werden.

Ein Forschungsteam hat nun eine neue Maschine gebaut, die speziell dafür entwickelt wurde, diese ultra-kalten, gefrorenen Käfige für ein Molekül namens Bariummonofluorid zu erzeugen. Dieses Molekül ist ein idealer Kandidat für die Suche, da sein schweres Bariumatom die winzigen Effekte, nach denen Wissenschaftler suchen, verstärkt. Die Forscher konstruierten eine hochentwickelte Vakuumkammer, die als Labor zum Züchten dieser Kristalle dient. Im Inneren nutzen sie einen Hochleistungslaser, um ein festes Target aus Bariumfluorid zu beschießen, wodurch eine Wolke aus Atomen und Molekülen entsteht. Diese Wolke wird dann von einem Strom aus kaltem Gas – entweder Neon oder einer speziellen Form von Wasserstoff – in eine Kammer geweht, in der sie auf einer Saphirplatte landet. Diese Platte wird durch einen mechanischen Kühlschrank auf eine atemberaubende Temperatur von 3,2 Kelvin gekühlt, einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser extremen Kälte gefrieren die Gasmoleküle augenblicklich und bilden einen festen Kristall, der das Bariummonofluorid einschließt.

Was diesen neuen Apparat einzigartig macht, ist seine Fähigkeit, die gefrorene Probe zu rotieren, ohne das Vakuum zu brechen oder sie aufzuwärmen. Sob falls der Kristall gewachsen ist, können die Forscher die Platte drehen, um sie auf verschiedene Instrumente auszurichten. Sie können einen Laser durch den Kristall scheinen lassen, um zu sehen, wie viel Licht er absorbiert, oder sie können ihn so drehen, dass er einem Spiegel zugewandt ist, der das Licht auffängt, mit dem der Kristall leuchtet. Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, dasselbe einzelne Kristall auf vielfältige Weise zu untersuchen, wodurch sichergestellt wird, dass ihre Messungen konsistent sind und nicht durch Unterschiede zwischen separaten Proben verfälscht werden. Mit diesem Aufbau gelang es dem Team, Kristalle aus Neon, die mit Bariummonofluorid dotiert sind, zu züchten, und bestätigte, dass die Moleküle eingeschlossen und stabil waren. Als sie ein spezifisches Laserlicht auf den Kristall richteten, absorbierten die Moleküle die Energie und emittierten sie dann wieder als Leuchten, oder Fluoreszenz. Durch die Analyse dieses Leuchtens identifizierten sie die spezifischen Energiezustände der Moleküle und bestätigten damit, dass sich die Umgebung des Neonkristalls sehr ähnlich der Gasphase verhält, was genau das ist, was für präzise Messungen benötigt wird.

Die Forscher testeten das System auch mit einer anderen Art von Gas, einer speziellen Form von Wasserstoff, die als Para-Wasserstoff bekannt ist. Während Neon gut funktionierte, ist Wasserstoff theoretisch sogar noch besser für diese Experimente, da es leichter ist und weniger mit den eingeschlossenen Molekülen interagiert. Das Team produzierte erfolgreich Bariummonofluorid unter Verwendung von Wasserstoff als Kühlgas, was einen bedeutenden ersten Schritt in Richtung des Wachstums von Kristallen in diesem überlegenen Medium markiert. Die Studie offenbarte jedoch auch eine Herausforderung, die in zukünftigen Experimenten bewältigt werden muss. Wenn das Laserlicht zu hell oder der Kristall extrem kalt war, verblasste das leuchtende Signal der Moleküle sehr schnell. Die Forscher stellten fest, dass dies nicht an den Molekülen selbst lag, sondern ein temporärer Effekt war, bei dem das intensive Licht oder die lokale Erwärmung die Moleküle dazu brachten, für einen Moment aufzuhören zu leuchten. Sie fanden heraus, dass dieser Verblassungseffekt stärker wurde, wenn die Temperatur sank und die Laserleistung anstieg.

Zusätzlich zum Bariummonofluorid bemerkte das Team, dass ihr Laser auch neutrale Bariumatome erzeugte, die ebenfalls im Kristall eingeschlossen waren und mit ihrer eigenen, distinkten Farbe leuchteten. Dies bestätigte, dass der Beschuss mit dem Laser eine Mischung verschiedener Spezies erzeugt, die alle im gefrorenen Block landen. Durch die Messung der Helligkeit des Leuchtens schätzten die Wissenschaftler die Anzahl der eingeschlossenen Bariummonofluorid-Moleküle und fanden eine Dichte in der Größenordnung von 5 mal 10 hoch 13 Molekülen pro Quadratzentimeter. Diese neue Maschine mit ihrer rotierbaren Probe und der Fähigkeit, Temperaturen von so tief wie 3,2 Kelvin zu erreichen, bietet eine robuste Plattform für zukünftige Studien. Sie beweist, dass Wissenschaftler diese empfindlichen Kristalle züchten, ihre Umgebung kontrollieren und mit der präzisen Arbeit beginnen können, das elektrische Dipolmoment des Elektrons zu untersuchen, womit sie einer Antwort auf eine der tiefsten Fragen der Physik näher kommen.