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Max-Planck-Gesellschaft Max-Planck-Institut für Kernphysik Universität Heidelberg
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Atomare und molekulare Quantendynamik

Einleitung

Unsere experimentelle Arbeit ist ausgerichtet auf die Quantendynamik elementarer Ionensysteme, von Atomen bis hin zu kalten Molekülen und Clustern. Diese Forschung hat unmittelbaren Einfluss auf das Gebiet der Quantenchemie und auf grundlegende Wenig-Teilchen Quantenphysik hinsichtlich der Dynamik von Systemen mit Teilchen in hochangeregter oder stark korrelierter Bewegung. Die Ergebnisse liefern wichtige experimentelle Bezugsdaten für molekulare Reaktionen im kalten interstellaren Medium, für grundlegende Atom- und Molekültheorie, für die Chemische Physik von Ionen und für fundamentale Physik wie beispielsweise die Quantenelektrodynamik. Die Forschung wird mit dem Ionenspeicherring TSR (in Betrieb bis Ende 2012), dem kryogenen Ionenspeicherring CSR, der sich kurz vor seiner Fertigstellung befindet, mit kryogenen Hochfrequenz-Ionenfallen und ultrakalten Elektronenstrahlen durchgeführt und deckt ein breites Spektrum von atomaren und molekularen Prozessen ab.

 

Dissoziative Elektron-Molekül Rekombination und zugehörige Prozesse

Dissoziative Rekombination ist eine wichtige Reaktion ionischer Molekülverbindungen mit freien Elektronen, die keine Energiebarriere aufweist und auch bei den niedrigsten Temperaturen abläuft. Sie führt zur Zerstörung und chemischen Umwandlung der Moleküle und erzeugt außerdem chemisch aktive Radikalfragmente. Die Vorhersage der Reaktionsraten und Produktkanäle dieser Reaktionen erfordert eine detaillierte Kenntnis innermolekularer Dynamik, welche weltweit sowohl experimentell als auch theoretisch sehr rege untersucht wird.

In unseren Experimenten kombinieren wir molekulare Ionenstrahlen mit sehr geringer Translations- und Schwingungsenergie an den Ionenspeicherringen TSR und CSR mit kontinuierlich verbesserten Techniken der Event-by-Event Fragmentabbildung, die sogar für neutrale Produkte und für Mehrfachkoinzidenz-Ereignisse vielatomarer Systeme geeignet sind, um die inneren Mechanismen molekularer Dissoziation aufzudecken. Gespeicherte Ionenstrahlen eröffnen die einzigartige Möglichkeit, die internen molekularen Freiheitsgrade (Schwingung und teilweise Rotation) zum thermischen Ausgleich mit der Speicherumgebung zu bringen, definiert durch die Schwarzkörperstrahlung im Vakuumgehäuse sowie durch die mit den gespeicherten Ionen wechselwirkenden Elektronenstrahlen. Neue ultrakalte Elektronenstrahlen aus kryogenen Photokathodenquellen werden für Elektronenkollisionsstudien mit Rekord-Auflösung der Auftreffenergie verwendet. Jüngste Studien befassen sich insbesondere mit für die Ionenchemie sowie in astrophysikalischen und atmosphärischen Prozessen wichtigen vielatomigen molekularen Ionen und haben das Verständnis der grundlegenden Mechanismen zum Ziel.

 

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Kalte Hochfrequenz-Ionenfallen und Laserspektroskopie

Molekulare Ionen mit niedrigen inneren Temperaturen werden in einer kryogenen Hochfrequenz-Ionenfalle erzeugt und untersucht, die für Puffergaskühlung der Ionen bis auf etwa 10 K geeignet ist. Diese Speichertechnik wurde am TSR implementiert, um vorgekühlte molekulare Ionen einzuspeisen, insbesondere H3+, eine der hauptsächlichen Ionenarten, die chemische Reaktionen in kalten dünnen Medien antreiben, besonders in der Astrophysik; dieses Projekt löste die weltweite Entwicklung von kalten Ioneninjektoren an zahlreichen Speicheranlagen aus. Die Technik wird dazu benutzt, am TSR die dissoziative Rekombination von H3+ im niedrigsten Quantenzustand der Ortho- bzw. Para-Kernspin-Varianten von H3+ zu studieren. Ferner wird hochempfindliche Rotationsschwingungs-Laserspektroskopie von H3+  in der Ionenfalle selbst durchgeführt. Mit Hilfe der neuen Methoden konnte präzise H3+-Laserspektroskopie in verdünnten Medien in Ionenfallen durchgeführt werden. An der Ausdehnung der Techniken auf Ionenstrahlumgebungen wird derzeit gearbeitet.

 

Coulomb-Explosions-Abbildung von kleinen molekularen Ionen - die negativen Wasserstoff-Molekülionen

Die Coulomb-Explosion molekularer Ionen mit Energien um 1 MeV, entweder vom TSR oder direkt von den Beschleunigern des Instituts, kann ausgelöst werden, indem man sie durch sehr dünne Folien schickt, wobei sie ihre Bindungselektronen in weniger als einer Femtosekunde verlieren. Die Event-by-Event-Fragmentabbildung unter diesen Bedingungen liefert Momentaufnahmen der molekularen Schwingungsbewegung und gestattet die Bestimmung wichtiger Parameter, wie z. B. der Bindungslänge und der Schwingungskonstante, welche die Molekülpotentiale widerspiegeln. Es wurden auch Experimente an negativen Wasserstoffmolekülen (speziell an H2-) durchgeführt - erst kürzlich eindeutig nachgewiesene kurzlebige Spezies mit Lebensdauern unterhalb einer Millisekunde, die nur dann relativ stabil werden, wenn sie stark um ihre Achse rotieren. In neueren Untersuchungen konnte der Chiralitätssinn einer partiell deuterierten Epoxidprobe direkt mittels dieser molekularen Abbildungsmethode bestimmt werden.

 

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Spontane und laserinduzierte Fragmentation von hochangeregten molekularen Ionen und Clusterionen

In einem Plasma sind die internen Freiheitsgrade (Rotations-, Schwingungs- oder elektronische F.) von molekularen Ionen und Clusterionen oft durch Kollisionen mit anderen Teilchen hoch angeregt. Die schnellsten Relaxationskanäle dieser Zustände sind die Emission eines Elektrons oder eines atomaren Fragments. Für kompakte Materie sind dies die thermionische Elektronenemission und die Verdampfung. Ein besonders wichtiger Aspekt dieser Prozesse ist die energetische Kopplung der elektronischen Energie und der Schwingungsenergie in diesen komplexen Systemen, die eine große Zahl an Schwingungsmoden mit einer sehr hohen Dichte von angeregten Schwingungsniveaus besitzen. Um eine hohe Empfindlichkeit und einen niedrigen Strahlungsuntergrund in diesen Kollisionsstudien zu erreichen, werden Strahlen von Molekül- und Clusterionen bei hoher Geschwindigkeit in kryogenen Speicheranlagen gespeichert. In Pilotstudien zur Entwicklung des kryogenen Speicherrings (CSR) wurde die Cryogenic Trap for Fast ion beams (CTF) entwickelt und in solchen Experimenten eingesetzt. Der Zerfall von komplexen negativen wie Al4- und SF6- wurde mittels Partikelzählung und Abbildungsdetektoren untersucht.
Weitere Informationen auf den Seiten des CSR und der CTF.

 

Dielektronische Rekombination und Elektronenstoßionisation von astrophysikalisch relevanten Ionen

Die resonante - "dielektronische" - Rekombination ist der wichtigste Rekombinationsmechanismus hochgeladener Ionen in heißem, verdünntem Plasma. Insbesondere für photoionisiertes Plasma in astrophysikalischer Umgebung nahe bei starken Strahlungsquellen definieren spektral weit ausgedehnte Gruppen dielektronischer Resonanzen die Rekombinationsraten, aus denen sich insbesondere die Häufigkeit von Ladungszuständen ergeben. Dies gilt entsprechend auch für hochgeladene Ionen in heißen irdischen Plasmen, beispielsweise Plasmen in Fusionsreaktoren. Wichtige Systeme, die untersucht werden, sind hochgeladene Systeme von Eisen (z.B. Fe7+ bis Fe17+) und von Wolfram (W20+). Die Vorhersage von Rekombination- sowie Elektronenstoßionisationsraten für diese Vielelektronensysteme mit Hilfe quantenmechanischer Rechnungen erfordert eine Vielzahl von Näherungsverfahren, um im Rahmen der Möglichkeiten der gegenwärtigen theoretischen Physik behandelbar zu sein. Die in astrophysikalischen Modellen verwendeten theoretischen Vorhersagen werden durch Messungen im TSR mit hochgeladenen Ionenstrahlen und ultrakalten Elektronenstrahlen strengen Vergleichstests unterworfen.

 

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Hochauflösende dielektronische Rekombinationsstudien für fundamentale Atomstrukturphysik

Anregungsenergien hochgeladener Ionen, gemessen mit hoher Präzision, spiegeln die Dynamik virtueller Teilchenpaare in starken Coulombfeldern wider, die von der Quantenelektrodynamik beschrieben wird. Hier werden diese quantenelektrodynamischen Wechselwirkungen speziell in Systemen untersucht, die sich aus einer größeren Zahl geladener Teilchen zusammensetzen (z.B. lithium- und berylliumartige Ionen). Die relevanten Energieniveaus der hochgeladenen Ionen werden durch ihre resonante - "dielektronische" - Rekombination mit Elektronen erreichbar, bei Untersuchungen mit im TSR gespeicherten Ionenstrahlen, die mit dem dort verfügbaren ultrakalten Elektronenstrahl wechselwirken.

 

Lebensdauermessungen von metastabilen Niveaus in gespeicherten atomaren Ionen

Die meisten Atome können sogar in ihren hohen Ladungszuständen in Energieniveaus existieren, die für längere Zeitspannen bis zu Millisekunden oder Sekunden hochangeregt bleiben; ihre innere Symmetrie verhindert ihren Zerfall, der normalerweise in sehr viel kleineren Sekundenbruchteilen durch die Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung erfolgen würde. Solche metastabile angeregte Ionen in hohen Ladungszuständen werden im TSR gespeichert und ihre Zerfallsdauern auf der Millisekunden- bis Sekunden-Zeitskala werden beobachtet und präzise gemessen. Weitere Informationen … >