Quantum-LEGO: Ultrakoude moleculen bouwen

11 juni 2018

Natuurkundigen dromen ervan een rijke bron te hebben van ultrakoude moleculen met specifieke elektronische eigenschappen. Een dicht gas van dergelijke deeltjes zou interessante toepassingen hebben voor het testen van fundamentele fysica, in quantumgecontroleerde scheikunde en in de studie van veeldeeltjesproblemen. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben nu samen met collega’s uit Polen en Groot-Brittannië een doorbraak gemaakt die ze in staat zal stellen om moleculen van strontium en rubidium te bouwen bij temperaturen van slechts een miljoenste graad boven het absolute temperatuurnulpunt. Hun resultaten zijn deze week gepubliceerd in Nature Physics.

Materie afkoelen is niet eenvoudig. Atomen en moleculen hebben de neiging om in het rond te springen, te draaien en te trillen. Het bevriezen van deze deeltjes door ze af te remmen is een ingewikkeld proces. Voor individuele atomen hebben natuurkundigen in de loop der jaren geleerd hoe ze dit koelingsproces kunnen uitvoeren. Daarbij gebruiken ze technieken zoals laserkoeling, waarbij nauwkeurig afgestemde lasers energie uit de deeltjes verwijderen. Moleculen, daarentegen, zijn veel moeilijker af te koelen en tot stilstand te brengen. Deze deeltjes bestaan uit twee of meer gebonden atomen, en kunnen als samengestelde deeltjes op veel meer verschillende manieren bewegen.

Eerst afkoelen, dan bouwen

Toch zouden natuurkundigen erg graag de beschikking hebben over een gas van ultrakoude moleculen. Aangezien het nog niet mogelijk is om de moleculen zelf direct af te koelen tot in dit regime, koelen ze daarvoor eerst atomen af – een proces dat veel eenvoudiger is – en proberen daaruit vervolgens moleculen te bouwen. De grote vraag is dan: hoe zorg je ervoor dat die superkoude, bewegingsloze atomen ‘samenklikken’ om de gewenste moleculen te vormen?

Het antwoord op deze vraag is een proces dat gebruik maakt van het fenomeen Feshbach-resonantie. Moleculen van een bepaald type kunnen verschillende configuraties van interne toestanden van de atomen hebben, en al die toestanden hebben een enigszins andere hoeveelheid energie. Door een magnetisch veld aan te brengen, kan de energie van een ongebonden paar van atomen precies afgestemd worden op de energie van een specifiek moleculair niveau. Florian Schreck, de onderzoeksgroepleider, legt uit: ‘Als er een koppelingsmechanisme tussen het atoompaar en het molecuul bestaat, kun je een situatie krijgen waarin de atoomparen ‘resoneren’ met de moleculen, waardoor ze samenklikken en het gewenste eindproduct vormen.’

Een nieuw soort ultrakoude moleculen

Tot nu toe zijn er bij hoge dichtheid en extreem lage temperatuur alleen gassen gemaakt van moleculen die bestaan uit twee alkali-atomen: atomen die een enkel elektron beschikbaar hebben om chemische bindingen te vormen. De groep experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam heeft nu, in samenwerking met theoretisch fysici van de Nicolaus Copernicus University in Torun, Polen en van Durham University in Groot-Brittannië, een belangrijke stap gezet op weg naar het maken van een tweede type ultrakoude moleculen. Preciezer gezegd: ze hebben ontdekt dat er Feshbach-resonanties bestaan tussen het alkali-element rubidium en het aardalkali-element strontium, dat twee elektronen heeft waarmee het bindingen kan vormen. Deze resonanties kunnen gebruikt worden om ultrakoude rubidium-strontiummoleculen te maken – deeltjes met heel andere eigenschappen dan de ultrakoude moleculen die tot nu toe gemaakt konden worden.

De belangrijkste uitdaging in dit onderzoek was het feit dat de gebruikelijke sterke interactiemechanismen die tussen alkali-atomen onderling bestaan, niet voorkomen bij aardalkali-atomen. Acht jaar geleden voorspelden theoretici Piotr Zuchowski en Jeremy Hutson veel zwakkere, ongewone interactiemechanismes waarbij toch Feshbach-resonanties zouden kunnen voorkomen. Zij konden echter niet de precieze bijbehorende sterktes van het magnetisch veld voorspellen. Gebruikmakend van precieze moleculaire spectroscopie is het experimentele team er nu in geslaagd om de precieze groottes van het magnetische veld te vinden en zo het bestaan van de gezochte Feshbach-resonanties experimenteel te bevestigen.

Feshbach resonances

Vincent Barbé, een van de onderzoekers, inspecteert de experimentele opstelling waarmee de Feshbach-resonanties gevonden werden. Het blauwe licht komt van de lasers die gebruikt worden om de atomen af te koelen. Afbeelding: F. Schreck et al.

Interessante toepassingen

Er zijn verschillende redenen waarom natuurkundigen geïnteresseerd zijn in het maken van verschillende soorten ultrakoude moleculen. Ten eerste maakt een zeer lage temperatuur het mogelijk om de eigenschappen van de moleculen zelf beter te onderzoeken. Iedereen die wel eens geprobeerd heeft een vlieg te bestuderen, weet dat dat veel gemakkelijker gaat als de vlieg op de muur stil zit dan wanneer hij rondzoemt – en precies hetzelfde geldt voor moleculen. Precisie-onderzoek van moleculen kan fundamentele fysica blootleggen die voorbij het huidige standaardmodel van fundamentele deeltjesinteracties gaat.

Ten tweede kunnen koude moleculen geprepareerd worden in heel precieze toestanden die gebruikt kunnen worden voor quantumgecontroleerde scheikunde: het uitvoeren van delicate chemische reacties waarbij onderzoekers volledige controle willen hebben over alle aspecten van de componenten van de reactie en de omstandigheden waarbij die plaatsvindt.

Ten slotte zijn er toepassingen in de veeldeeltjesfysica van quantumdeeltjes. Als moleculen heel koud zijn, manifesteert hun ‘wazige’ quantumgedrag zich. Moleculen kunnen op verschillende plaatsen of in verschillende interne toestanden tegelijk zijn, en de posities en toestanden van verschillende moleculen kunnen op ingewikkelde wijze van elkaar afhangen. Daardoor kunnen op de quantumschaal nieuwe fenomenen ontstaan die zelfs op de beste supercomputers lastig of onmogelijk doorgerekend kunnen worden. Door de interacties tussen de moleculen onderling of het potentiaal-landschap waar ze doorheen bewegen onder controle te houden, hopen natuurkundigen meer te leren over deze emergente fenomenen. Schreck zegt: ‘Als we meer inzicht krijgen in het collectieve gedrag van grote aantallen quantumdeeltjes, of dat nou moleculen in een gas zijn of elektronen in een metaal, opent dat een deur naar het maken van materialen met ongekende eigenschappen.’

Quantum-LEGO

De nieuwe resultaten breiden het bestaande gereedschap voor het ‘quantum-LEGO’ van het maken van ultrakoude moleculen uit. Schreck: ‘Met deze kennis moet het binnenkort mogelijk zijn om voor het eerst een ultrakoud gas met een hoge dichtheid van rubidium-strontiummoleculen te maken. Vanwege de vele mogelijke toepassingen van zo’n gas zijn we erg enthousiast over deze nieuwe mogelijkheden.’

Referentie

Observation of Feshbach resonances between alkali and closed-shell atoms, V. Barbé, A. Ciamei, B. Pasquiou, L. Reichsöllner, F, Schreck, P. Zuchowski en J. Hutson, Nature Physics (2018), DOI: 10.1038/s41567-018-0169-x.

Gepubliceerd door  IOP