Doorbraak Fysica: Stabiel Aluminiummonofluoride Gevangen in Magneto-Optische Val

Wetenschappers van de Afdeling Moleculaire Fysica van het Fritz Haber Instituut (FHI) hebben een belangrijke mijlpaal in de ultracold fysica bereikt door voor het eerst een stabiel, gesloten-schilmolecuul, aluminiummonofluoride (AlF), succesvol te vangen in een magneto-optische val (MOT). Deze prestatie, die de basis vormt voor een aankomende publicatie in Physical Review Letters en reeds op de arXiv preprint server staat, opent nieuwe onderzoeksperspectieven in het domein van extreem lage temperaturen. Het koelen van materie tot temperaturen nabij het absolute nulpunt stelt onderzoekers in staat om de kwantummechanische gedragingen scherp te analyseren, wat historisch gezien heeft geleid tot fundamentele ontdekkingen zoals supergeleiding in kwikmetaal.

Laserkoeling, een techniek die gebruikmaakt van materie-lichtinteractie, is zo effectief dat temperaturen van $10^{-3}$ tot $10^{-6}$ K boven het absolute nulpunt kunnen worden bereikt, wat het ultracold regime definieert. Al bijna vier decennia worden ultracold neutrale atomen voorbereid in magneto-optische vallen, wat technologieën zoals optische atoomklokken en prototype kwantumcomputers heeft voortgebracht. Het vangen van moleculen was echter een grotere uitdaging vanwege hun ingewikkelde energieniveaus. Voorheen konden alleen reactieve moleculen met ongepaarde elektronen (spin-dublet soorten) in deze vallen worden gebracht.

Het FHI-team demonstreerde nu de eerste val voor een spin-singlet molecuul, AlF, dat dankzij zijn sterke chemische binding chemisch inert is. Deze stap werd bemoeilijkt doordat moleculen die een hoge energie vereisen om te breken, vaak laserfrequenties diep in het ultraviolet nodig hebben voor koeling. Voor AlF waren vier lasersystemen nodig die rond 227.5 nm opereerden, de kortste golflengte die tot nu toe is gebruikt om een atoom of molecuul te vangen. Dit vereiste nieuwe innovaties in lasertechnologie en optica, mogelijk gemaakt door een sterke samenwerking tussen industrie en academische wereld. Uniek is dat AlF in meerdere rotatiekwantumtoestanden kan worden gekoeld en gevangen; het team schakelde tussen drie niveaus door de laserfrequenties aan te passen.

Het team slaagde erin ongeveer $6 imes 10^4$ moleculen te vangen voor het J=1 niveau, en meer dan $10^4$ voor J=2 en J=3. Sid Wright, leider van het FHI-team, sprak de hoop uit AlF te kunnen vangen vanuit een compacte, betaalbare dampbron, en merkte op dat initiële experimenten aantoonden dat AlF botsingen met vacuümwanden op kamertemperatuur overleeft. Deze mijlpaal volgde op bijna acht jaar werk, inclusief spectroscopische studies en de ontwikkeling van deep-UV technologie. Eduardo Padilla, de hoofddocent, schreef het succes toe aan een grote teamprestatie en de middelen binnen de afdeling Moleculaire Fysica. Lasergekoeld AlF zal naar verwachting nieuwe precisie-metingen en kwantumcontrole van moleculen mogelijk maken, waarbij de mogelijkheid om AlF in meerdere rotatieniveaus te manipuleren een krachtig nieuw platform biedt.