Physiker nutzten ein rotierendes Mikrowellenfeld, um ein Gas aus polaren Molekülen abzukühlen
Für ihre Experimente, Forscherverwendeten ein Gas aus Natrium- und Kaliummolekülen, die mit Laserstrahlung in einer optischen Falle gehalten wurden. Die Physiker kühlten das Gas mittels Verdunstungskühlung, einer Technik, die auf einzelne Atome angewendet wird.
Vakuumkammer, in der superkaltes Gas erzeugt wird. Bild: Max-Planck-Gesellschaft
Das Funktionsprinzip dieses Verfahrens basiert aufKollision von Teilchen in einer Magnetfalle. Einzelne Atome, die miteinander kollidieren, übertragen einen Teil ihrer kinetischen Energie. Im Laufe der Zeit werden einzelne Atome viel energiereicher als andere und verlassen die Falle, wodurch die Energie des Systems und die Temperatur der darin verbleibenden Atomgruppe verringert werden.
Polare Moleküle sind durch ungleichmäßige gekennzeichnetdie Verteilung der elektrischen Ladung, erklären die Wissenschaftler. Anders als freie Atome können sie sich drehen, vibrieren, anziehen oder abstoßen. Sie verhalten sich wie winzige Magnete und können aneinander haften und so ein Auskühlen verhindern.
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forscherverwendet ein speziell präpariertes elektromagnetisches Feld, das als Energieschild für Moleküle dient und ein Anhaften und Zusammenkleben verhindert. Wenn sich zwei Moleküle unter dem Einfluss des Feldes zu nahe kommen, können sie kinetische Energie austauschen, richten sich aber gleichzeitig so aus, dass sie sich abstoßen und sich schnell in verschiedene Richtungen bewegen.
Natriumlaser, der gelbes Licht zur Laserkühlung und Visualisierung von Natriumatomen erzeugt. Bild: Max-Planck-Gesellschaft
Um ein Mikrowellenfeld mit den erforderlichen zu erstellenEigenschaften platzierten die Forscher eine spiralförmige Antenne unter einer optischen Falle, die ein Gas aus Natrium-Kalium-Molekülen enthielt. In diesem Versuchsaufbau begannen die Moleküle viel häufiger zusammenzustoßen, im Durchschnitt etwa 500 Mal pro Molekül.
Dadurch erreichte die Temperatur bereits nach einer Drittelsekunde etwa 21 nK, was deutlich unter der kritischen „Fermi-Temperatur“ liegt, der Grenze, unterhalb derer Quanteneffekte das Verhalten des Gases bestimmen.
Die Forscher glauben, dass die neue Kühltechnologie die Schaffung und Untersuchung verschiedener Quantenformen von Materie ermöglichen wird, die zuvor theoretisch vorhergesagt wurden.
Titelbild: Künstlerische Darstellung eines Mikrowellen-Gaskühlschranks. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
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