Schritt in die Quantenwelt der Moleküle

Den Quantenphysikern um Prof. Rudolf Grimm gelang erstmals die direkte Beobachtung von ultrakalten Molekülen, die in einem Bose-Einstein Kondensat von Atomen kontrolliert erzeugt werden. Damit eröffnet sich den Wissenschaftlern eine ganz neue Welt: die vollständige Kontrolle des Quantenzustands von Molekülen.
Die Molekülwolke wird durch ein Magnetfeld vom Atomkondensat getrennt.
Die Molekülwolke wird durch ein Magnetfeld vom Atomkondensat getrennt.
Gestern berichtete das renommierte Fachmagazin Science in seiner Online-Ausgabe Science Express über eine wissenschaftliche Sensation. Was Arbeitsgruppen auf der ganzen Welt derzeit mit Hochdruck versuchen, gelang nun erstmals den Forschern am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck: In einem Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen wurden, durch die Ausnutzung von quantenmechanischen Resonanzen, Moleküle aus zwei Atomen zusammengesetzt. Die dabei entstandene Molekülwolke bei Temperaturen um 1 nK (ein Milliardstel Grad Kelvin) konnten die Physiker durch ein Magnetfeld von der Atomwolke separieren und dadurch sichtbar machen. Alles deutet darauf hin, dass es sich dabei um eine kondensierte Molekülwolke mit quantenmechanischen Eigenschaften handelt. Dies würde bedeuten, dass sich die Moleküle zu einer makroskopischen Materiewelle zusammen gefunden haben. Rudolf Grimm, START-Preisträger Hanns-Christoph Nägerl, Cheng Chin, Tino Weber, Michael Mark, Tobias Kraemer und Jens Herbig von der Universität Innsbruck erreichen damit in dem Experiment eine exakte Kontrolle über das Verhalten der Moleküle. Ganz nebenbei wurde auch der bisherige Temperaturrekord für ultrakalte Moleküle um fast den Faktor 1.000 unterboten.

"Chemie" am absoluten Nullpunkt

Vor knapp einem Jahr sorgte die Arbeitsgruppe um Prof. Grimm international für Aufsehen, als es ihr erstmals gelang, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen herzustellen. Auf Basis dieses Erfolges konnte nun ein weiterer sensationeller Durchbruch erzielt werden. "Die ultrakalten Molekülkondensate stoßen international auf sehr großes Interesse. Die gezielte Herstellung und quantenmechanische Kontrolle von Molekülen erlaubt eine ganz neue Form von 'Chemie' am absoluten Nullpunkt", so Prof. Rudolf Grimm. "Quantenobjekte können kontrolliert kombiniert und in verschränkter Form wieder getrennt werden. Die Erforschung von Molekülkondensaten wird das grundlegende Verständnis von Atomen und Molekülen verbessern und ermöglicht zum Beispiel den Bau extrem exakter Messgeräte."

Ideales Forschungsumfeld

"Voraussetzung für unsere erfolgreiche Arbeit ist das einzigartige Forschungsumfeld an der Universität Innsbruck. Die Kooperation der einzelnen Gruppen am Institut für Experimentalphysik, aber auch mit dem Institut für Theoretische Physik und den anderen Arbeitsgruppen in Österreich, sowie unsere internationale Einbettung lassen jenes Forschungsklima entstehen, das Spitzenforschung erst möglich macht", ist Prof. Grimm überzeugt. Daher blickt er auch erwartungsvoll der Errichtung des neuen Akademieinstituts für Quantenoptik und Quanteninformation entgegen. Im neu gebauten ICT Technologiepark der Universität Innsbruck werden die Quantenphysiker infrastrukturell ideale Rahmenbedingungen für ihre aufwändigen Forschungsarbeiten vorfinden.

Hoffnungsträger Bose-Einstein-Kondensat

Seit Mitte der 90-Jahre werden in die Erforschung von Bose-Einstein-Kondensaten große Hoffnungen gesetzt. Erstmals können damit makroskopische Quantenzustände von Materie in reiner Form beobachtet werden. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften erschließen Bose-Einstein-Kondensate aus Cäsium-Atomen weiteres Neuland auf dem faszinierenden Gebiet der Quantenphysik, wie der jüngste Erfolg der Innsbrucker Quantenphysiker eindrucksvoll zeigt. (cf)