Neuartige Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt
Bisher unbekannte Eigenschaften des Elements Samarium enthüllt
Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) haben eine neuartige Methode zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomen entwickelt und dabei bisher unbekannte atomare Übergänge in Samarium, einem Element der Seltenen Erden, entdeckt.
ie Samariumzelle bei hoher Temperatur (~1040 °C) bei Durchführung des Experiments
Razmik Aramyan
Die Fähigkeit, die innere Struktur von Atomen beschreiben zu können, ist nicht nur wichtig, um die Zusammensetzung von Materie zu verstehen, sondern auch, um neue Experimente zur Erforschung der Grundlagenphysik zu konzipieren. Bestimmte Experimente erfordern Proben von Atomen oder Molekülen mit besonderen Eigenschaften, die stark vom zu untersuchenden Phänomen abhängen. Das Wissen über die Energieniveaustruktur vieler Atome ist bislang jedoch unvollständig, insbesondere im Fall von Atomen der Seltenen Erden und Actiniden.
Die Spektroskopie ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken, um die Struktur von Atomen zu untersuchen. Sie basiert auf dem Prinzip, dass Elektronen Energie absorbieren oder emittieren, wenn sie sich zwischen den Energieniveaus eines Atoms bewegen. Jedes Element hat einen einzigartigen Satz von Lichtwellenlängen, die aufgrund dieser Übergänge emittiert oder absorbiert werden. Diese werden als atomares Spektrum bezeichnet.
„Hochauflösende Breitbandspektroskopie ist für Präzisionsmessungen in der Atomphysik und die Suche nach neuen fundamentalen Wechselwirkungen unerlässlich“, erklärt Razmik Aramyan, Doktorand in der Gruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker und Hauptautor der Veröffentlichung. „Fortschritte werden jedoch oft durch die Schwierigkeit behindert, komplexe atomare Spektren zu messen, was hauptsächlich auf zwei technische Einschränkungen zurückzuführen ist: die Schwierigkeit, die von der Probe ausgesendeten Signale richtig zu unterscheiden, und der begrenzte Wellenlängenbereich, den die Instrumente erfassen können.“ Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Aramyan und seine Mitarbeitenden eine Methode namens Dual-Comb-Spektroskopie (DCS) angewendet und weiterentwickelt, mit der atomare Spektren in einem breiten Band elektromagnetischer Frequenzen mit hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit gemessen werden können. Die DCS basiert auf der optischen Frequenzkammtechnik, für die 2005 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Optische Frequenzkämme sind spezielle Laser, die die genauen Frequenzen von Licht messen. Bei der DCS werden zwei dieser Kämme im kohärenten Modus verwendet, wodurch das Spektrum der Probe genauer gemessen werden kann als mit herkömmlichen Methoden.
Eine der Herausforderungen bei der Anwendung der DCS besteht darin, schwache Signale mit hoher Präzision zu erkennen. Um sie zu überwinden, implementierten die Forschenden um Aramyan außerdem mehrere Fotodetektoren, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Mit dieser Kombination war es dann möglich, die experimentellen Daten klar abzulesen und die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums zu bestimmen. „Wir haben einen verbesserten Mehrkanal-DCS-Ansatz entwickelt, der ein Photodetektor-Array mit einem neuartigen Schema zur Auflösung von Frequenzmehrdeutigkeiten kombiniert und somit mehrdeutigkeitsfreie Breitbandmessungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht“, fasst Aramyan zusammen.
Die Entwicklung dieses neuartigen Ansatzes stellt einen der ersten Schritte im internationalen Projekt „Spectroscopy 2.0“ dar, das ein „massiv-paralleles spektroskopisches Werkzeug“ entwickeln soll: ein Werkzeug, mit dem sich eine große Anzahl spektroskopischer Messungen gleichzeitig durchführen lässt. Damit soll die Spektroskopie dichter atomarer und molekularer Spektren unter starken Magnetfeldern möglich werden.
Erste erfolgreiche Anwendung: die Erfassung des Spektrums von Samariumdampf
Die DCS eignet sich besonders gut, um Lücken in den atomaren Daten zu schließen, wie die aktuelle Veröffentlichung bestätigt. Dank ihres innovativen Ansatzes konnten Aramyan und das Team das Spektrum von Samariumdampf bei verschiedenen Temperaturen erfassen und das Spektralverhalten bei unterschiedlichen Samariumkonzentrationen analysieren. Beim Vergleich ihrer Ergebnisse mit bestehenden Datensätzen fanden sie spektroskopische Linien, die bisher unbekannt waren.
„Wir haben mehrere bisher nicht beschriebene Samarium-Absorptionslinien entdeckt. Das illustriert das Potenzial unserer Methode, bisher unbekannte atomare Eigenschaften aufzudecken. Sie eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für die massiv-parallele Spektroskopie, beispielsweise für die Spektroskopie von Atomen in gepulsten, ultrahohen Magnetfeldern“, so Aramyan.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
Zuletzt betrachtete Inhalte
BORN2GROW unterstützt Biotech-Start-up Venneos bei weiterem Wachstum
Kooperation zwischen Cybio und BioTeSys zur biologischen Validierung von Inhaltsstoffen - Testsysteme auf Basis von Zellkulturen
Superresolution-Live-Cell-Imaging gewährt unerwartete Einblicke in den dynamischen Aufbau von Mitochondrien
Eppendorf richtet Vorstandsstruktur neu aus - Position des Vorstandsvorsitzenden wird neu besetzt
Die Struktur des kleinsten Halbleiters wurde entschlüsselt - Der kleinste Halbleiter, der aus nur 27 Atomen besteht, der Cd14Se13-Cluster, hat eine interessante Kern-Käfig-Struktur
Kontrollierte Korrosion - Europäisches Forscherteam beobachtet erstmals Korrosionsprozess auf atomarer Ebene
Neuer Sensor kann immer kleinere Nanoteilchen erkennen - Neuartiger optischer Resonator bietet erstmals die Möglichkeit, die Bewegung von Nanoteilchen im Raum zu verfolgen
Smarte hauchdünne Nanoblätter fischen Proteine - Wie man schneller und einfacher zu hochaufgelösten dreidimensionalen elektronenmikroskopischen Bildern von Biomolekülen kommt
Wie sich Krebsgene selbständig machen - Studie wirft Licht auf die mysteriöse Evolution von DNA-Ringen
Neues hocheffizientes Analyseverfahren für SARS-CoV-2 Mutationen - Direkte Zuordnung der Mutationen ohne mathematische Zwischenschritte möglich
LAUDA produziert in Schanghai
