Quantengase mit Grundzustandsmolekülen

Eine der neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der ultrakalten Quantengase ist das Streben nach der Erzeugung von Grundzustandsmolekülen bei ultratiefen Temperaturen und hohen Phasenraumdichten. In diesem Projekt verfolgen wir allgemein das Ziel der vollständigen molekularen Zustandskontrolle und speziell die Erzeugung eines Bose-Einstein Kondensats aus Molekülen im rovibronischen Grundzustand. Wir kombinieren dafür Techniken aus den Gebieten der Quantengase und der molekularen Zustandskontrolle. Zuerst erzeugen wir effizient die Moleküle an Feshbach-Resonanzen aus einem in ein optisches Gitter eingeladenes Bose-Einstein Kondensat (BEC). Die Moleküle werden dann mittels zweier Zweiphotonenübergänge unter Anwendung der STIRAP-Technik in den rovibronischen Grundzustand transferiert. Nur in diesem Zustand ist Stoßstabilität sichergestellt. Wir erwarten, daß sich ein molekulares BEC in einem Mott-Isolator-zu-Suprafluid-Phasenübergang bildet, wenn das Gitterpotential nach dem Transfer heruntergefahren wird. Unsere Technik verbindet hohe Erzeugungs- und Transfereffizienzen mit hohen Phasenraumdichten, die von dem anfänglichen atomaren Ensemble vererbt werden. Bose-Einstein Kondensate von tief gebundenen Molekülen stellen eine neue, komplexere Klasse von Kondensaten mit zusammengesetzten Teilchen dar. Wir erwarten, daß sie ein idealer Ausgangspunkt für das Studium von vollkommen zustandsselektiven Stoßprozessen im Limes verschwindender Temperaturen und für die Untersuchung von vollständig kohärenten chemischen Prozessen sein werden. Sie stellen extrem brillante und schmalbandige Quellen für die Präzisionsmolekülspektroskopie dar. Des weiteren sind sie ein Testfeld für die Erzeugung von Kondensaten von noch komplexeren Systemen. Dieses Projekt hat zum Ziel, die Grenzen von Atom-, Molekül- und Festkörperphysik zu überbrücken und starke Verknüpfungen mit dem neuen Gebiet der ultrakalten (kohärenten) Chemie herzustellen.

Das Gebiet der ultrakalten Quantengase hat eine spektakuläre Entwicklung seit dem Jahr 1995 erlebt, als zum ersten Mal der Phasenübergang von einem klassischen Atomgas zu einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC), einer makroskopischen Materiewelle, in einer lasergekühlten Wolke von Rb-Atomen beobachtet wurde. Seitdem haben sich viele Atomsorten in den Zustand eines BECs versetzen lassen, z.B. Na, Li, K, Cs, und He, um nur einige zu nennen. Dieser neuartige Zustand der Materie hat Anwendungen in zahlreichen Experimenten zurSuprafluidität, zurMateriewellen-Interferometrie, in der Quantenvielteilchenphysik,imBereich derQuantenzustandskontrolle, inder Quanteninformation, in der Quantenphysik niedrigdimensionaler Systeme usw. gefunden. Eine unmittelbare Frage war (und ist immer noch!): Können Objekte, die komplexer als Atome sind, z.B. Moleküle, ebenfalls in den Zustand eines BECs versetzt werden? Wenn ja, so würde das viele neue Möglichkeiten eröffnen, vor allem aufgrund der Tatsache, dass Moleküle wegen ihrer reichen inneren Struktur nicht-triviale Wechselwirkungseffekte zeigen, die besonders für die Gebiete der kohärenten Kontrolle, der ultrakalten Chemie, der Präzisionsmesstechnik und der Quantenvielteilchendynamik relevant sind und neue Perspektiven für die Quantensimulation bieten würden. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, die Grenze hin zur Bose-Einstein-Kondensation von Grundzustandsmolekülen auszuloten. Unser Prototypmolekül ist das Cs Dimer. Da eine der zentralen Techniken der modernen Atomphysik, nämlich die Laserkühlung, nicht ohne weiteres auf molekulare Ensembles angewandt werden kann, sind neue Techniken wie z.B. die Feshbach-Assoziation und der kohärente Grundzustandstransfer entwickelt worden, um molekulare Ensembles in das Regime der Bose-Einstein Kondensation zu bringen. Der Trick ist, die Moleküle überhaupt erst in quantenentarteten atomaren Ensembles zu bilden, und die größte Herausforderung besteht dann darin, die Phasenraumdichte während der Bildung und des nachfolgenden Zustandstransfers aufrecht zu erhalten. Im Rahmen unseres Projekts sind wir auf zwei Limitierungen gestoßen: Die endliche Effizienz beim Zustandstransfer (<1) und Verluste aufgrund von Stoßprozessen. Wir konnten die Vier-Photonen-Transfereffizienz von der Dissoziationsschwelle hinab zum rovibronischen Grundzustand des Cs Dimers auf den Wert von etwa 80% optimieren. Damit sind wir jetzt in der Lage, Stoßprozesse zustandsselektiv, d.h. unter Kontrolle des molekularen Hyperfeinzustands, zu untersuchen. Die entscheidende Frage ist die folgende: Wie stabil ist das molekulare Ensemble, wenn alle inelastischen Zwei-Körper-Prozesse ausgeschaltet sind? Interessanterweise zeigen alle unsere bisherigen Messungen, dass die Ensembles instabil sind. Wenn dies wirklich der Fall ist, wäre ein BEC aus Molekülen nicht möglich. Derzeit versuchen wir also herauszufinden, was der Grund für die Instabilität sein könnte. Könnte es sein, dass Moleküle, die im einfachsten aller möglichen Prozesse, nämlich in einer Zwei-Körper-Kollision, einen vergleichsweise langlebigen Zwei-Körper-Komplex bilden, um sich schließlich wieder elastisch zu trennen, dadurch aber vorübergehend ihr Vorhandensein verschleiern? Wären sie dann in Zwischenzeit anfällig auf Drei-Körper-Verluste? Wir müssen zugeben, dass wir das Rätsel noch nicht gelöst haben, und wir erwarten daher spannende neue Ergebnisse in der nahen Zukunft.