När en mycket utspädd gas kyls till extremt låga temperaturer avslöjas bisarra egenskaper. Vissa gaser bildar alltså ett så kallat Bose-Einstein-kondensat – en typ av materia där alla atomer rör sig unisont. Ett annat exempel är supersoliditet:ett tillstånd där materia beter sig som en friktionsfri vätska med en periodisk struktur. Fysiker förväntar sig att hitta särskilt olika och avslöjande former av kvantmateria när de kyler gaser som består av polära molekyler. De kännetecknas av en ojämn elektrisk laddningsfördelning. Till skillnad från fria atomer kan de rotera, vibrera och attrahera eller stöta bort varandra. Det är dock svårt att kyla molekylära gaser till ultralåga temperaturer. Ett team av forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching har nu hittat ett enkelt och effektivt sätt att övervinna denna vägspärr. Den är baserad på ett roterande fält av mikrovågor.

En process som i en kopp kaffe

För sina experiment använde forskarna en gas av natrium-kalium (NaK) molekyler som var inneslutna i en optisk fälla av laserljus. För att kyla gasen förlitade sig teamet på en metod som länge har visat sig effektiv för att kyla obundna atomer:så kallad evaporativ kylning. "Denna metod fungerar på samma sätt som den välbekanta processen, som gör att en kopp hett kaffe svalnar", säger Dr Xin-Yu Luo, chef för Laboratory for Ultracold Polar Molecules vid avdelningen för Quantum Many-Body Systems vid MPQ :I kaffe kolliderar vattenmolekyler ständigt och utbyter därigenom delar av sin kinetiska energi. Om två särskilt energirika molekyler kolliderar kan en av dem bli tillräckligt snabb för att slippa kaffet – det ångar ut ur koppen. Den andra molekylen förblir med mindre energi. Så svalnar kaffet gradvis. På samma sätt kan en gas kylas ner till några nanokelvin – miljarddelar av en grad över absoluta nollpunkten vid minus 273,15 grader Celsius.

Men:"Om gasen består av molekyler måste dessa dessutom stabiliseras vid mycket låga temperaturer", säger Luo. Anledningen ligger i den mycket mer komplexa strukturen hos molekyler jämfört med obundna atomer. Därför är det svårt att kontrollera deras rörelser under kollisioner. Molekylerna kan hålla ihop vid kollisioner. Dessutom beter sig "polära molekyler som små magneter som kan knäppa ihop, i vilket fall de går förlorade för experimentet", förklarar Dr. Andreas Schindewolf, som bedriver forskning i Xin-Yu Luos team. Dessa svårigheter har visat sig vara en enorm vägspärr för forskning de senaste åren.

Mikrovågor håller isär molekylerna

För att övervinna detta hinder förlitade sig forskarna från Garching på ett knep:ytterligare applicering av ett speciellt förberedt elektromagnetiskt fält som fungerar som en energisk sköld för molekylerna – vilket förhindrar att de klibbar ihop. "Vi skapade den här energiskölden med hjälp av ett starkt, roterande mikrovågsfält", förklarar Andreas Schindewolf. "Fältet får molekylerna att rotera med en högre frekvens." Om två molekyler kommer för nära varandra kan de därför utbyta kinetisk energi – men samtidigt ställer de in sig på ett sådant sätt att de stöter bort varandra och snabbt separeras igen.

För att skapa ett mikrovågsfält med de egenskaper som krävs placerade forskarna en spiralformad antenn under den optiska fällan som innehöll gasen av natrium-kaliummolekyler. "Hastigheten med vilken molekylerna blev sammankopplade minskade således med mer än en storleksordning", rapporterar Xin-Yu Luo. Dessutom utvecklades under påverkan av fältet en stark och långväga elektrisk interaktion mellan molekylerna. "Som ett resultat kolliderade de mycket oftare än utan det roterande mikrovågsfältet - i genomsnitt cirka 500 gånger per molekyl", säger fysikern. "Det var tillräckligt för att kyla gasen nära absolut noll genom avdunstning."

Ett nytt lågtemperaturrekord

Efter bara en tredjedel av en sekund nådde temperaturen runt 21 nanokelvin — långt under den kritiska "Fermi-temperaturen". Det markerar gränsen, under vilken kvanteffekter dominerar beteendet hos en gas – och bisarra fenomen börjar uppstå. "Temperaturen vi har nått är den lägsta hittills i en gas av polära molekyler," är Luo nöjd att säga. Och Max Planck-forskaren tror att de kan nå ännu mycket lägre temperaturer genom tekniska förbättringar av experimentupplägget.

Resultaten kan få långtgående konsekvenser för forskning om kvanteffekter och kvantmateria. "Eftersom den nya kylningstekniken är så enkel att den också kan integreras i de flesta experimentella uppställningar med ultrakalla polära molekyler, bör metoden snart få stor tillämpning – och bidra till en hel del nya rön", säger Prof. Dr. Immanuel Bloch, Direktör för MPQ Division Quantum Many-Body Systems. "Mikrovågsassisterad kylning öppnar inte bara upp för en rad nya undersökningar av märkliga tillstånd av materia som supervätskor och supersolider", säger Bloch. "Dessutom kan det vara användbart i kvantteknik." Till exempel i kvantdatorer, där data kanske kan lagras av ultrakalla molekyler. "Det här är verkligen spännande tider för forskare som arbetar med ultrakalla polära molekyler", säger Xin-Yu Luo. + Utforska vidare

Skapa ultrakalla polyatomiska molekyler genom att fånga och kyla dem i tre dimensioner