Microgolven kunnen ultrakoude moleculen afschermen

Onderzoekers van Harvard University, MIT, Korea University en Radboud Universiteit laten zien dat deze verliezen in botsingen voorkomen kunnen worden door met microgolven de interacties tussen de moleculen zo te sturen dat ze elkaar afstoten, en dus in botsingen niet dicht bij elkaar kunnen komen. Hun paper verscheen in Science.

Opkomende quantumtechnologieën, zoals quantumcomputers en quantumsimulaties, zijn momenteel erg in zwang. Er worden grote sprongen gemaakt om deze technologieën te verwezenlijken op verschillen platformen, zoals gevangen ionen en reeksen Rydberg-atomen. Ultrakoude moleculen zijn nog zo’n veelbelovend platform. Helaas leiden de botsingen tussen de moleculen tot verliezen vergelijkbaar met die bij chemische reacties, wat de afgelopen tien jaar de mogelijkheden om de moleculen te koelen heeft beperkt. Een groep onderzoekers heeft nu echter aangetoond dat deze verliezen in botsingen onderdrukt kunnen worden door afstotende interacties tussen de moleculen middels microgolven te bewerkstelligen.

Het elimineren van verliezen in botsingen en stimuleren van elastische botsingen maakt het mogelijk om moleculen af te koelen tot een quantumgas, waarmee toepassingen in nieuwe quantumtechnologieën binnen handbereik komen. Een unieke eigenschap van ultrakoude moleculen is dat de interacties tussen moleculen met een draai aan een knop in het laboratorium gestuurd en afgestemd kunnen worden middels externe velden. Wanneer de moleculen bijvoorbeeld worden blootgesteld aan microgolven, oscilleren hun dipoolmomenten synchroon met de microgolven. Op deze manier kunnen we interacties tussen de moleculaire dipoolmomenten sturen.

In plaats van het microgolfveld te volgen kunnen de dipoolmomenten echter elkaar ook vastgrijpen, wat weer een aantrekking of afstoting tussen de moleculen tot gevolg kan hebben. Een afstotende werking kan voorkomen dat de moleculen dicht bij elkaar komen. ‘Op deze manier kunnen we de moleculen afschermen voor verliezen in botsingen,’ zegt Tijs Karman van de Radboud Universiteit. Hij heeft de methode voorgesteld en het experiment met zijn berekeningen onderbouwd.

Experimentele uitvoering

Afscherming met behulp van microgolven werd voor het eerst experimenteel aangetoond in het lab van professor John Doyle aan de Harvard-universiteit. In dit experiment worden moleculen calciummonofluoride (CaF) gebruikt die gekoeld worden tot een temperatuur van 100 µK, met behulp van zogenaamde laserkoeling. Deze moleculen worden in afzonderlijke vallen bewaard die gemaakt zijn met gefocust laserlicht, optische pincetten genaamd. Twee van deze pincetten, elk met een enkel molecuul, worden dan samengevoegd om de botsingen tussen precies twee moleculen te bestuderen. Om de moleculen af te schermen worden deze blootgesteld aan microgolven vanuit een reeks antennes. Op deze manier hebben de natuurkundigen afstotende interacties tussen moleculen bewerkstelligd die laatstgenoemden afschermden van verliezen in botsingen. Het verlies is op deze manier met een factor zes verminderd.

Moleculen koelen tot een quantumgas

Naast het onderdrukken van de verliezen in botsingen leidt de afstoting tussen de moleculen wanneer ze ver van elkaar verwijderd zijn ook tot snelle, elastische botsingen. De elastische botsingen werden met een factor 17 versterkt. Deze elastische botsingen zijn van belang voor thermalisatie. Snelle thermalisatie en langzame verliezen zijn de ontbrekende schakels voor een verdere koeling van moleculen middels verdamping, van oudsher een mijlpaal in dit veld. De aangetoonde afscherming is dus een grote stap in de richting van het vervaardigen van een quantumgas van ultrakoude moleculen en het bewerkstelligen van toekomstige quantumtechnologieën, zoals quantumcomputers en quantumsimulaties.