In der weiten Welt von Molekularphysik, ist gerade einem Team deutscher und österreichischer Forscher ein großer Durchbruch gelungen. Sie haben eine revolutionäre Methode zur Kühlung entwickelt molekulare Anionen, negativ geladene Moleküle, bei Temperaturen unter drei Kelvin, also etwa minus 270 Grad Celsius. Dies eröffnet den Weg für neue Untersuchungen, insbesondere in der Erforschung von chemische Reaktionen Im Weltall.

Innovative Methode zur Kühlung molekularer Anionen

Der Physik ist es seit langem gelungen, Atome und Ionen auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen, eine Voraussetzung für die Erforschung vieler komplexer wissenschaftlicher Fragestellungen. Allerdings stellte die Kühlung von Anionen aufgrund ihrer spezifischen elektronischen Konfiguration schon immer eine große Herausforderung dar. Ein Team um Prof. Dr. Matthias Weidemüller vomUniversität Heidelberg und Prof. Dr. Roland Wester von der Universität Innsbruck gelang es, eine Technik zur Kühlung dieser schwierigen Teilchen zu entwickeln.

In diesem Experiment werden die Ionen in einer Hochfrequenzfalle eingeschlossen und breiten sich entlang der Längsachse dieser Falle aus. Diese Konfiguration ermöglicht es Ionen mit höherer Energie, sich vom Zentrum der Falle wegzubewegen. „Wir nutzen diese Funktion, um diese Ionen selektiv aus der Falle zu entfernen.“, erklärt Dr. Eric Endres vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck.

Anionenkühlungsprozess

Die Kühlung erfolgt mithilfe eines fokussierten Laserstrahls, der am Rand der Ionenwolke positioniert ist, um die heißesten Ionen zu neutralisieren. Die Photonen des Lasers entfernen dann ein Elektron aus dem Anion und erzeugen so ein neutrales Molekül, das aus der Falle kommt. Durch die Entfernung der hochenergetischen Ionen kühlen die verbleibenden Ionen auf eine niedrigere Temperatur ab.

„Durch langsames Bewegen des Laserlichts in Richtung der Mitte der Falle werden die energiereicheren Anionen nacheinander verdampft, was in weniger als vier Sekunden zu einer Temperatur von 2,2 Kelvin führt.“, erklärt Saba Hassan, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Prof. Weidemüller am Institut für Physik der Universität Heidelberg.

Potenziale und zukünftige Anwendungen

Mit bisher verwendeten Techniken konnten Anionen auf bis zu drei Kelvin abgekühlt werden. „Mit unserer weiterentwickelten Methode kann diese Barriere nun prinzipiell für jede Art von negativ geladenen Molekülen durchbrochen werden, was viele neue Untersuchungen zu den Grundlagen der Natur oder beispielsweise chemischen Reaktionen im Weltraum ermöglicht.“, sagen die Forschungsgruppenleiter Matthias Weidemüller und Roland Wester.

Synthetik

Dieser große Fortschritt bei der Kühlung molekularer Anionen kann als echte Revolution auf dem Gebiet der Molekülphysik angesehen werden. Einerseits eröffnet es den Weg zu neuer Grundlagenforschung.

Zum besseren Verständnis

Was ist ein molekulares Anion?

Ein molekulares Anion ist ein Molekül, das ein oder mehrere Elektronen aufgenommen und dadurch eine negative Ladung erhalten hat.

Warum ist es schwierig, Anionen zu kühlen?

Anionen sind aufgrund ihrer spezifischen elektronischen Konfiguration schwer zu kühlen, was sie gegenüber herkömmlichen Kühlmethoden weniger empfindlich macht.

Welche Bedeutung hat die Anionenkühlung?

Die Kühlung der Anionen ermöglicht eine bessere Kontrolle dieser Partikel und eröffnet den Weg für neue Untersuchungen, insbesondere für die Untersuchung chemischer Reaktionen im Weltraum.

Was ist der absolute Nullpunkt?

Der absolute Nullpunkt ist eine theoretische Temperatur, bei der die kinetische Energie der Teilchen in einem System minimal ist. Es beträgt null Kelvin oder -273,15 Grad Celsius.

Die neue Kühlmethode nutzt einen fokussierten Laserstrahl, um die heißesten Ionen in einer Hochfrequenzfalle selektiv zu neutralisieren. Die verbleibenden Ionen kühlen dann auf eine niedrigere Temperatur ab.

Welche Implikationen hat diese Forschung?

Diese Forschung könnte erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben, einschließlich der Untersuchung chemischer Reaktionen im Weltraum und der Erforschung der Grundlagen der Natur.

Bildunterschrift: Hochfrequenzfalle, in der negativ geladene Moleküle gefangen und durch Licht verdampft werden. | © Universität Heidelberg

Originalveröffentlichung: J. Tauch, SZ Hassan, M. Nötzold, ES Endres, R. Wester und M. Weidemüller: Laserinduzierte erzwungene Verdunstungskühlung molekularer Anionen unter 4 K. Naturphysik (15. Juni 2023).

[ Rédaction ]