15.03.2022 - Universiteit van Amsterdam

Mit Ionen Moleküle finden

Physiker nutzen ein einzelnes gefangenes Ion zum Nachweis ultrakalter Moleküle

Wenn wir an Ionen denken, denken wir normalerweise an einzelne Atome, die einige Elektronen verloren oder gewonnen haben, aber auch ganze Moleküle können zu Ionen werden. In einer neuen Veröffentlichung, die als Editor's Suggestion in Physical Review Letters hervorgehoben wurde, zeigen Physiker der Universität Amsterdam, von QuSoft und der Stony Brook University, dass kalte molekulare Ionen mit einer neuen Methode erzeugt werden können und dass sie ein sehr nützliches Instrument zum Nachweis kleiner Mengen anderer, normaler Moleküle sind.

Gefangene Ionen

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül mit einem Überschuss oder Mangel an Elektronen. Als geladene Teilchen können Ionen durch elektromagnetische Felder "eingefangen" werden: Es ist einfach, sie in einer festen Position zu halten. Gefangene Ionen stellen eine vielversprechende Plattform für die Quantenberechnung dar. Der Grund dafür ist, dass sie lange gespeichert werden können und dass moderne Laser es den Physikern ermöglichen, einzelne Ionen sehr präzise zu steuern. Diese Eigenschaften machen gefangene Ionen auch zu erstklassigen Kandidaten für die Untersuchung chemischer Reaktionen, insbesondere wenn sie in ein Bad aus normalen Atomen oder Molekülen eingetaucht werden.

In vielen physikalischen Experimenten ist es nützlich, extrem kalte Teilchen zu untersuchen - einfach weil sich kalte Teilchen langsamer bewegen und weniger vibrieren, so dass es weniger "Rauschen" im Experiment gibt. Bisher waren Ionen-Molekül-Studien auf kalte Moleküle mit Temperaturen um 1 Kelvin (d. h. ein Grad über dem absoluten Nullpunkt) beschränkt, doch das hybride Ionen-Atom-Experiment an der Universität Amsterdam verwendet nun Moleküle mit Temperaturen von nur einigen Millionstel Kelvin und untersucht die kältesten Ionen-Molekül-Kollisionen der Welt.

Physiker unter der Leitung von Rene Gerritsma vom UvA-Institut für Physik und QuSoft haben in Zusammenarbeit mit Arghavan Safavi-Naini (UvA/QuSoft) und Jesus Pérez-Ríos (Stony Brook University) das molekulare Ion gemessen, das in einer chemischen Reaktion entsteht, bei der Lithiummoleküle (Li2) und atomare Ytterbium-Ionen (Yb+) zu Lithiumatomen (Li) und molekularen Lithium-Ytterbium-Ionen (LiYb+) werden. Diese chemische Reaktion konnten sie nutzen, um sehr kleine Mengen von Molekülen zu messen.

Ultrakalte Gase

Neben ihren zahlreichen anderen Verwendungsmöglichkeiten, wie z. B. in extrem präzisen Uhren und Quantensimulationen von Vielteilchensystemen, können ultrakalte Gase auch zur Erzeugung kalter Moleküle verwendet werden. Mit einer Technik namens Magneto-Assoziation können aus einem ultrakalten Gas so genannte Feshbach-Dimere erzeugt werden - Moleküle, die so kalt sind wie das Gas, aus dem sie stammen. Indem sie diese Moleküle mit einem einzelnen gefangenen Ion kombinierten, beobachteten die IoP-Physiker Henrik Hirzler, Rianne Lous und Eleanor Trimby zum ersten Mal chemische Reaktionen zwischen Ionen und Molekülen mit ultrakalten Molekülen.

Die Forscher beobachteten, dass Kollisionen zwischen einem einzelnen Ion und einem Feshbach-Dimer zur Bildung des oben erwähnten Molekül-Ions führten, wobei eines der Atome des Moleküls am Ion hängen bleibt. Betrachtet man die Fluoreszenz des Ions, so lässt sich die Bildung des Molekülions daran erkennen, dass die Fluoreszenz dunkel wird, was darauf zurückzuführen ist, dass das Molekülion andere Energieniveaus hat als das Atomion. Das Vorhandensein des Molekularions wurde auch durch die Messung der Frequenz bestätigt, mit der es in der Ionenfalle schwingt, eine Frequenz, die für die schwereren Molekularteilchen unterschiedlich ist. Weitere Messungen ergaben, dass jeder Zusammenstoß zwischen Ion und Molekül zur Bildung eines Molekülions führte.

Eine nützliche Reaktion

Die Gruppe stellte dann fest, dass ihre Methoden sehr empfindlich waren: Mit der Reaktion Li2 + Yb+ → LiYb+ + Li konnten sie nur etwa 50 Moleküle in einer Wolke von 20 000 Atomen nachweisen. Bei solchen Spurenmengen von Molekülen versagen die üblichen bildgebenden Verfahren in der Regel. Daher könnte das Ion als ein viel besserer Sensor für die Moleküle verwendet werden. Dieses Ergebnis ist ein erster Schritt auf dem Weg zur Untersuchung von Quantenzuständen der Materie mit nur einem einzigen Ion als Detektor.

Die beobachtete kalte chemische Reaktion weist auch auf eine neue Methode hin, um kalte und kontrollierbare molekulare Ionen zu erhalten. Diese sind besonders interessant für die Präzisionsspektroskopie und für ein besseres Verständnis von ultrakalten Kollisionen und der Chemie.

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