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Laserkühlung von Molekülen

Die Laserkühlung gehört seit gut 50 Jahren zu den vielseitigen Werkzeugen der Atomphysik. Dabei werden mit der Hilfe von Lasern Atome durch eine Art Photonenwind abgebremst und diese können anschließend in sogenannten magnetooptischen Fallen (MOTs) festgehalten werden. Dies ermöglicht dann hochpräzise spektroskopische Untersuchungen, zum Beispiel um nach einer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Damit die Kühlung gelingt, müssen die Atome immer wieder von einem bestimmten Energieniveau aus Photonen absorbieren und spontan unter Photonenemission nahezu ausschliesslich in das gleiche Niveau zurückfallen können. Solche geschlossenen optischen Zyklen wurden in Molekülen zunächst als ausgeschlossen angesehen, weil diese mehr Freiheitsgrade, insbesondere Schwingungsfreiheitsgrade, besitzen und daher nach der Absorption in diverse Niveaus herunterfallen können. Michael Di Rosa hat jedoch 2004 Kriterien für die Laserkühlbarkeit von Molekülen aufgestellt und zweiatomige Kandidaten wie etwas CaH dafür vorgeschlagen.

Wir haben 2010 dazu speziell eine Klassifikation von ungepaarten Elektronen durchgefuehrt, um leicht geeignete zweiatomige Moleküle für die Laserkühlung zu finden. Dabei haben wir insbesondere RaF als einen vielversprechenden Kandidaten identifiziert, der zusätzlich auch noch für die Untersuchung fundamentaler Symmetrien hochinteressant ist. Unlängst konnten wir mit KollegInnen vom CERN erstmalig laserspektroskopische Informationen über dieses hochspannende Molekül erhalten.

Die Gruppe von David DeMille konnte 2010 mit SrF erstmals ein Molekül erfolgreich laserkühlen. Seither konnten auch weitere zweiatomige System wie YO, CaF und YbF mit Laser gekühlt werden.

Dank unserer allgemeinen Klassifikation ungepaarter Elektronen konnten wir schnell sogar mehratomige Moleküle für die Laserkühlung identifizieren. Auf diese prinzipielle Möglichkeit haben wir zunächst 2011 auf einer Konferenz in Boston hingewiesen. Auf einer Tagung 2014 in Monte Verita in der Schweiz haben wir schließlich erstmalig explizite Kandidaten wie CaOH zur Laserkühlung vorgeschlagen und auch das allgemeine Konzept zur Identifizierung geeigneter mehratomiger Moleküle vorgestellt. Dieser Vorschlag wurde begeistert aufgenommen. Andere Gruppen haben die Idee daher aufgegriffen und sich der Laserkühlung mehratomiger Moleküle zugewandt. Im April 2015 haben wir unsere Ideen und die einfachen theoretischen Konzepte dazu auf dem Preprint-Server arXiv hinterlegt, im Februar 2016 wurde die zugehörige Arbeit schließlich bei Physical Review Letter publiziert. Und heute gilt es als allgemein akzeptiert und nahezu selbstverständlich, dass auch mehratomige Moleküle mit Lasern gekühlt werden können.