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Eiskalt erwischt


Laserkühlung für Moleküle möglich

13.02.2016 (fjh)
Chemische Verbindungen aus mehr als zwei Atomen lassen sich mittels Laserbestrahlung kühlen. Das haben Forscher aus Marburg und dem russischen Sankt Petersburg aufgrund theoretischer Überlegungen herausgefunden. Bislang galt es als ausgemacht, dass Laserkühlung nur bei Molekülen funktioniert, die aus zwei Atomen bestehen.
Das stimmt aber nicht, folgern Prof. Dr. Robert Berger und Dr. Timur Isaev. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".
Wärme lässt sich mikroskopisch als Bewegung von Teilchen beschreiben. Beim Kühlen werden sie abgebremst. "Kalte Moleküle versprechen eine Fülle von Anwendungen von der Grundlagenforschung bis zur Quanteninformatik", erklärte Berger, der Theoretische Chemie an der Philipps-Universität lehrt.
Bei der Laserkühlung nutzt man die Tatsache aus, dass Licht einen Impuls übertragen kann. Trifft ein Lichtteilchen auf ein Atom, so kann es von ihm aufgenommen werden.
Durch den sogenannten "Dopplereffekt" lässt sich erreichen, dass Atome überwiegend Lichtteilchen absorbieren, die ihnen entgegen kommen. Der dabei übertragene Bewegungsimpuls bremst die Atome ab.
"Atome in der Gasphase kann man mittlerweile nahezu perfekt unter Kontrolle bringen und fast auf den absoluten Temperaturnullpunkt abkühlen", erläuterte Berger. Bei Molekülen hingegen ist die Laserkühlung durch Dopplereffekt bislang nur gelungen, wenn sie aus zwei Atomen bestehen wie Strontiumfluorid (SrF) oder Yttriumoxid (YO). Denn Moleküle können sich nicht nur im Raum bewegen; vielmehr sind ihre Bestandteile auch gegeneinander beweglich.
Die Autoren zeigen, dass es entgegen bisheriger Annahmen möglich ist, das Schema der Dopplerkühlung auch auf Moleküle mit mehr als zwei Atomen zu übertragen. "Der Trick dabei ist: Man muss Moleküle mit einsamen Elektronen verwenden, die nicht zur chemischen Bindung beitragen", führte Berger aus.
Berger und Isaev identifizierten mehr-atomige Moleküle, deren elektronische Situation derjenigen von zwei-atomigen Verbindungen gleicht, die sich durch Laser kühlen lassen. Beispiele für die gefundenen polyatomaren Moleküle sind Kalziummonohydroxid (CaOH) und Monomethylmagnesium (MgCH3).
Die Autoren sind jetzt gespannt, ob sich ihre theoretischen Befunde experimentell bestätigen: "Wir hoffen natürlich, dass Experimentatoren unsere Vorschläge zeitnah aufgreifen", sagte Berger.
pm: Philipps-Universität Marburg
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