In Columbia entsteht ein einzigartiger Quantenzustand der Materie

Physiker an der Universität von Columbia haben Moleküle an eine neue ultrakalte Grenze gebracht und einen Materiezustand geschaffen, in dem die Quantenmechanik herrscht.

Es gibt ein heißes neues BEC in der Stadt, das nichts mit Speck, Ei und Käse zu tun hat. Sie werden es nicht in Ihrer örtlichen Bodega finden, sondern am kältesten Ort in New York: im Labor des Columbia-Physikers Sebastian Will, dessen experimentelle Gruppe darauf spezialisiert ist, Atome und Moleküle auf Temperaturen zu bringen, die nur Bruchteile eines Grades über Absoluter Nullpunkt.

Schreiben in NaturDem Will-Labor ist es mit Unterstützung des theoretischen Mitarbeiters Tijs Karman an der Radboud-Universität in den Niederlanden gelungen, aus Molekülen einen einzigartigen Quantenzustand der Materie zu erzeugen, ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC).

Durchbruch bei Bose-Einstein-Kondensaten

Ihr BEC, das auf nur fünf Nanokelvin (ca. -459,66 °F) abgekühlt und für erstaunlich lange zwei Sekunden stabil ist, besteht aus Natrium-Cäsium-Molekülen. Wie Wassermoleküle sind diese Moleküle polar, das heißt, sie tragen sowohl eine positive als auch eine negative Ladung. Die unausgewogene Verteilung der elektrischen Ladung erleichtert die Wechselwirkungen über große Entfernungen, die für die interessanteste Physik sorgen, bemerkte Will.

Zu den Forschungsarbeiten, die das Will-Labor mit seinen molekularen BECs durchführen möchte, gehört die Erforschung einer Reihe verschiedener Quantenphänomene, darunter neue Arten von Suprafluidität, einem Zustand, in dem Materie ohne Reibung fließt. Sie hoffen auch, ihre BECs in Simulatoren verwandeln zu können, die die rätselhaften Quanteneigenschaften komplexerer Materialien wie fester Kristalle nachbilden können.

Mithilfe von Mikrowellen haben Physiker der Columbia University ein Bose-Einstein-Kondensat aus Natrium-Cäsium-Molekülen erzeugt, einen einzigartigen Materiezustand. Bildnachweis: Will Lab, Columbia University/Myles Marshall

„Molekulare Bose-Einstein-Kondensate eröffnen völlig neue Forschungsbereiche, vom Verständnis wirklich grundlegender Physik bis hin zur Weiterentwicklung leistungsfähiger Quantensimulationen“, sagte er. „Das ist eine aufregende Leistung, aber es ist wirklich erst der Anfang.“

Für das Will-Labor ist dies ein wahrgewordener Traum, und für die gesamte Ultrakälte-Forschungsgemeinschaft ist dies ein Traum, an dem Jahrzehnte gearbeitet wurde.

Ultrakalte Moleküle – ein Jahrhundert der Entwicklung

Die Wissenschaft der BECs geht auf die Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein zurück, die vor einem Jahrhundert begannen. In einer Reihe von 1924 und 1925 veröffentlichten Artikeln sagten sie voraus, dass eine Gruppe von Partikeln, die fast bis zum Stillstand abgekühlt sind, zu einer einzigen, größeren Supereinheit mit gemeinsamen Eigenschaften und Verhaltensweisen verschmelzen würde, die durch die Gesetze der Quantenmechanik vorgegeben werden. Wenn BECs geschaffen werden könnten, würden sie Forschern eine verlockende Plattform bieten, um die Quantenmechanik in einem überschaubareren Maßstab zu erforschen als einzelne Atome oder Moleküle.

Von diesen ersten theoretischen Vorhersagen an vergingen etwa 70 Jahre, aber die ersten atomaren BECs wurden bereits 1995 hergestellt. Diese Leistung wurde 2001 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt, ungefähr zu der Zeit, als Will sein Physikstudium an der Universität Mainz begann. Heute werden in Laboren routinemäßig atomare BECs aus mehreren verschiedenen Atomarten hergestellt. Diese BECs haben unser Verständnis von Konzepten wie der Wellennatur von Materie und Supraflüssigkeiten erweitert und zur Entwicklung von Technologien wie Quantengasmikroskopen und Quantensimulatoren geführt, um nur einige zu nennen.

Von links nach rechts: Associate Research Scientist Ian Stevenson; PhD-Student Niccolò Bigagli; PhD-Student Weijun Yuan; Undergraduate-Student Boris Bulatovic; PhD-Student Siwei Zhang; und Principal Investigator Sebastian Will. Nicht abgebildet: Tijs Karman. Bildnachweis: Columbia University

Aber Atome sind im Großen und Ganzen relativ einfach. Sie sind runde Objekte und weisen normalerweise keine Wechselwirkungen auf, die durch Polarität entstehen könnten. Seit die ersten atomaren BECs realisiert wurden, wollten Wissenschaftler kompliziertere Versionen aus Molekülen herstellen. Aber selbst einfache zweiatomige Moleküle aus zwei miteinander verbundenen Atomen verschiedener Elemente erwies sich als schwierig abzukühlen unter die Temperatur, die zur Bildung eines richtigen BECs erforderlich ist.

Der erste Durchbruch gelang 2008, als Deborah Jin und Jun Ye, Physiker am JILA in Boulder, Colorado, ein Gas aus Kalium-Rubidium-Molekülen auf etwa 350 Nanokelvin abkühlten. Solche ultrakalten Moleküle haben sich in den letzten Jahren als nützlich erwiesen, um Quantensimulationen durchzuführen und Molekülkollisionen und Quantenchemie zu untersuchen, aber um die BEC-Schwelle zu überschreiten, waren noch niedrigere Temperaturen erforderlich.

Im Jahr 2023 erzeugte das Will-Labor das erste ultrakalte Gas aus dem Molekül ihrer Wahl, Natrium-Cäsium, durch eine Kombination aus Laserkühlung und magnetischen Manipulationen, ähnlich dem Ansatz von Jin und Ye. Um die Temperatur noch weiter zu senken, nutzten sie Mikrowellen.

Innovationen mit Mikrowellen

Mikrowellen sind eine Form elektromagnetischer Strahlung mit einer langen Geschichte an der Columbia-Universität. In den 1930er Jahren leistete der Physiker Isidor Isaac Rabi, der später den Nobelpreis für Physik erhielt, Pionierarbeit im Bereich Mikrowellen, die zur Entwicklung luftgestützter Radarsysteme führte. „Rabi war einer der ersten, der die Quantenzustände von Molekülen kontrollierte, und war ein Pionier der Mikrowellenforschung“, sagte Will. „Unsere Arbeit folgt dieser 90-jährigen Tradition.“

Sie wissen vielleicht, dass Mikrowellen beim Erhitzen von Lebensmitteln helfen, aber wie sich herausstellt, können sie auch beim Abkühlen helfen. Einzelne Moleküle neigen dazu, zusammenzustoßen und bilden dadurch größere Komplexe, die aus der Probe verschwinden. Mikrowellen können kleine Schilde um jedes Molekül herum bilden, die Kollisionen verhindern. Diese Idee stammt von Karman, ihrem niederländischen Kollegen. Wenn die Moleküle gegen verlustbehaftete Kollisionen abgeschirmt sind, können nur die heißesten bevorzugt aus der Probe entfernt werden – dasselbe physikalische Prinzip, das Ihre Tasse Kaffee abkühlt, wenn Sie darüber blasen, erklärt Autor Niccolò Bigagli. Die verbleibenden Moleküle sind kühler und die Gesamttemperatur der Probe sinkt.

Im vergangenen Herbst war das Team kurz davor, molekulare BECs zu erzeugen. Die Studie wurde in Naturphysik das die Mikrowellen-Abschirmmethode einführte. Doch es war noch eine weitere experimentelle Wendung nötig. Als sie ein zweites Mikrowellenfeld hinzufügten, wurde die Kühlung noch effizienter und Natrium-Cäsium überschritt schließlich die BEC-Schwelle – ein Ziel, das das Will-Labor seit seiner Eröffnung in Columbia im Jahr 2018 verfolgt hatte.

„Das war ein fantastischer Abschluss für mich“, sagte Bigagli, der in diesem Frühjahr seinen Doktor in Physik gemacht hat und Gründungsmitglied des Labors war. „Wir hatten noch kein Labor eingerichtet und jetzt sind wir zu diesen fantastischen Ergebnissen gekommen.“

Das zweite Mikrowellenfeld kann nicht nur Kollisionen reduzieren, sondern auch die Orientierung der Moleküle beeinflussen. Das wiederum ist ein Mittel, um ihre Wechselwirkung zu kontrollieren, was das Labor derzeit erforscht. „Durch die Kontrolle dieser dipolaren Wechselwirkungen hoffen wir, neue Quantenzustände und Phasen der Materie zu schaffen“, sagte Co-Autor und Postdoc an der Columbia University, Ian Stevenson.

Eine neue Welt für die Quantenphysik eröffnet sich

Ye, ein Pionier der Ultrakaltforschung aus Boulder, hält die Ergebnisse für ein wunderbares Stück Wissenschaft. „Die Arbeit wird bedeutende Auswirkungen auf eine Reihe von wissenschaftlichen Bereichen haben, darunter das Studium der Quantenchemie und die Erforschung stark korrelierter Quantenmaterialien“, kommentierte er. „Wills Experiment zeichnet sich durch eine präzise Kontrolle molekularer Wechselwirkungen aus, um das System auf ein gewünschtes Ergebnis auszurichten – eine wunderbare Errungenschaft in der Quantenkontrolltechnologie.“

Das Columbia-Team ist inzwischen begeistert, eine theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu haben, die experimentell bestätigt wurde. „Wir haben wirklich eine gute Vorstellung von den Wechselwirkungen in diesem System, was auch für die nächsten Schritte, wie die Erforschung der dipolaren Vielteilchenphysik, von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Karman. „Wir haben uns Schemata zur Kontrolle der Wechselwirkungen ausgedacht, diese theoretisch getestet und im Experiment umgesetzt. Es war wirklich eine erstaunliche Erfahrung, diese Ideen zur Mikrowellen-‚Abschirmung‘ im Labor umgesetzt zu sehen.“

Es gibt Dutzende theoretischer Vorhersagen, die nun experimentell mit den molekularen BECs getestet werden können, die laut Co-Erstautor und Doktorand Siwei Zhang ziemlich stabil sind. Die meisten Experimente mit ultrakalten Temperaturen finden innerhalb einer Sekunde statt – manche nur wenige Millisekunden –, aber die molekularen BECs des Labors halten über zwei Sekunden. „Damit können wir offene Fragen der Quantenphysik wirklich untersuchen“, sagte er.

Eine Idee ist, künstliche Kristalle zu erzeugen, bei denen die BECs in einem optischen Gitter aus Lasern gefangen sind. Dies würde leistungsstarke Quantensimulationen ermöglichen, die die Wechselwirkungen in natürlichen Kristallen nachahmen, bemerkte Will, ein Schwerpunktbereich der Festkörperphysik. Quantensimulatoren werden üblicherweise mit Atomen hergestellt, aber Atome haben Wechselwirkungen auf kurze Distanz – sie müssen praktisch übereinander liegen –, was die Qualität ihrer Modellierung komplizierterer Materialien einschränkt. „Das molekulare BEC wird mehr Würze einbringen“, sagte Will.

Dazu gehört auch die Dimensionalität, sagte Co-Erstautor und Doktorand Weijun Yuan. „Wir möchten die BECs in einem 2D-System verwenden. Wenn man von drei auf zwei Dimensionen übergeht, kann man immer mit neuen physikalischen Phänomenen rechnen“, sagte er. 2D-Materialien sind ein wichtiger Forschungsbereich an der Columbia University. Ein Modellsystem aus molekularen BECs könnte Will und seinen Kollegen aus der Festkörperphysik dabei helfen, Quantenphänomene wie Supraleitung, Suprafluidität und mehr zu erforschen.

„Es scheint, als würde sich eine völlig neue Welt voller Möglichkeiten eröffnen“, sagte Will.

Referenz: „Observation of Bose–Einsteincondensation of dipolar molecules“ von Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson und Sebastian Will, 3. Juni 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z