FHI-Forscher erzielen Durchbruch: Stabiles Aluminiummonofluorid-Molekül erstmals in magneto-optischer Falle eingefangen

Wissenschaftler der Abteilung für Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut (FHI) haben einen bedeutenden Erfolg in der ultrkalten Physik vermeldet: Ihnen gelang erstmals das Einfangen eines stabilen, geschlossen-schaligen Moleküls, Aluminiummonofluorid (AlF), in einer magneto-optischen Falle. Diese Leistung, die in den Annals of Physics publiziert wurde und bereits als Preprint auf arXiv verfügbar ist, eröffnet neue Horizonte für die Quantenmechanik und hochpräzise Messverfahren. Die Forscher konnten AlF-Moleküle kühlen und selektiv in drei verschiedenen Rotationsquantenzuständen festhalten, was einen wesentlichen Fortschritt darstellt.

Die Kühlung von Materie nahe dem absoluten Nullpunkt hat historisch stets zu fundamentalen Entdeckungen geführt, wie der Supraleitung in Quecksilber, welche die Entwicklung der Quantenmechanik beförderte. Seit der Erfindung des Lasers nutzen Physiker die Licht-Materie-Wechselwirkung, um Temperaturen im ultrakalten Regime von $10^{-3}$ bis $10^{-6}$ K zu erreichen. Während ultrakalte neutrale Atome seit fast vier Jahrzehnten erfolgreich in solchen Fallen gehalten werden und Technologien wie optische Atomuhren ermöglichten, blieb das Einfangen von Molekülen aufgrund ihrer komplexen Energiestruktur eine große Hürde. Bisher war dies nur mit reaktiven Molekülen mit ungepaarten Elektronen möglich.

Das FHI-Team demonstriert nun die erste Falle für ein Spin-Singulett-Molekül, das chemisch inerte AlF. Um dies zu realisieren, mussten erhebliche technische Herausforderungen bewältigt werden, da Moleküle mit hoher Bindungsenergie oft Laserwellenlängen tief im Ultravioletten für die Kühlung erfordern. Die Kühlung von AlF machte den Einsatz von vier Lasersystemen nahe 227,5 nm erforderlich, was die kürzeste jemals zum Einfangen eines Atoms oder Moleküls verwendete Wellenlänge darstellt. Diese Entwicklung wurde durch intensive Kooperationen zwischen Industrie und Akademie vorangetrieben, welche Innovationen in der Lasertechnologie und Optik hervorbrachten.

Eine Besonderheit des AlF-Moleküls ist die Möglichkeit, es in mehreren Rotationsquantenzuständen laserkühlen und einfangen zu können, wobei die Forscher durch Abstimmung der Laserwellenlängen nahtlos zwischen drei Zuständen wechseln konnten. Sid Wright, der Leiter des FHI-Teams, betonte, dass erste Tests zeigten, dass AlF Kollisionen mit Vakuumwänden bei Raumtemperatur übersteht und die Vision besteht, es aus einer kompakten und kostengünstigen Dampfquelle zu fangen. Diese Errungenschaft ist das Ergebnis fast achtjähriger intensiver Arbeit, einschließlich spektroskopischer Studien und der Entwicklung der Deep-UV-Technologie. Die Verfügbarkeit laserkühlter AlF-Moleküle wird voraussichtlich Präzisionsmessungen und die Quantenkontrolle von Molekülen revolutionieren, insbesondere durch einen langlebigen metastabilen elektronischen Zustand, der das Potenzial für noch tiefere Temperaturen birgt. Die Beherrschung solcher komplexen Systeme eröffnet neue Wege für die Präzisionsspektroskopie und Quantensimulationen und könnte entscheidend für die Entwicklung von Molekularen Quantencomputern sein.