Kalter Astrochemie im Labor nachgespürt

Bahnbrechende Messungen von kalten Ionen-Neutral-Kollisionen am Kryogenen Speicherring zeigen einen unerwarteten Isotopie-Effekt. [Phys. Rev. Lett. / Phys. Rev. A: 10.06.2024]

Zusammenfassung

  • Kalte Reaktionen von Ionen mit Neutralteilchen spielen in der interstellaren Chemie eine wichtige Rolle.
  • Der Kryogene Speicherring (CSR) speichert kalte Molekülionen unter weltraumähnlichen Bedingungen.
  • Reaktionen zwischen HD+ und neutralen C-Atomen zeigen einen unerwarteten Isotopen-Effekt – in Übereinstimmung mit neuen Berechnungen.

Wissenschaftler des MPIK haben in Zusammenarbeit mit Gruppen der UCL Louvain-la-Neuve (Belgien) und des Observatoire de Paris (Frankreich) die kürzlich in Betrieb genommene Ionen-Neutral-Kollisionsanlage am Kryogenen Speicherring (CSR) genutzt, um Reaktionen zwischen HD+- und H3+-Ionen und neutralen C-Atomen zu untersuchen. Diese Reaktionen sind von großer Bedeutung für die Chemie des interstellaren Mediums, wo sie Kohlenstoff in die chemischen Netzwerke einführen, und somit als Initiator für die organische Chemie im Weltraum dienen.
Die am CSR durchgeführten Messungen mit vibrationskalten Ionen ergaben deutlich höhere Ratenkoeffizienten als frühere Untersuchungen mit intern angeregten Ionen. Darüber hinaus zeigen die neuen Daten einen unerwarteten kinematischen Isotopeneffekt für die Kollisionen zwischen HD+ und C, wobei das leichtere CH+-Reaktionsprodukt über alle Kollisionsenergien hinweg gegenüber dem etwas stabileren CD+-Produkt bevorzugt wird. Diese Ergebnisse werden durch spezielle Rechnungen (Quasi-Classical Trajectory, QCT) unterstützt, die für die vorliegende Studie durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für astrochemische Studien, bei denen Isotopenverhältnisse häufig verwendet werden, um die chemische Entwicklung interstellarer Wolken zu verfolgen.

Der Kryogene Speicherring (CSR)

Der kryogene Speicherring (Cryogenic Storage Ring, CSR) am Max-Planck-Institut für Kernphysik ist der größte der neuen Generation von elektrostatischen Speicherringen weltweit. Mit einem Umfang von 35 m und einer vollständig elektrostatischen Ionenoptik eignet sich der CSR für die Durchführung detaillierter Kollisionsexperimente mit gespeicherten Atom- und Molekül-Ionen, nahezu unabhängig von deren Masse. Das innovative, mehrschichtige Kältetechnik-Konzept ermöglicht Experimente bei Kammer-Temperaturen von –268 ⁰C (oder 5 K) und bei einem extrem niedrigen Druck von etwa 10–16 Atmosphären. Atomare und molekulare Ionen können in einer nahezu störungsfreien Umgebung für viele Minuten bis hin zu mehreren Stunden (für schwerere Systeme) gespeichert werden. Der CSR ist mit einem Tieftemperatur-Elektronenkühler, einer einzigartigen Neutralstrahl-Apparatur und dem ersten vollständig kryogenen Reaktionsmikroskop ausgestattet, und ermöglicht damit vielseitige Experimente auf dem Bereich der molekularen Astrophysik und der Quantendynamik fundamentaler atomarer und molekularer Reaktionen.


Originalpublikationen:

Merged beams study of the reaction of cold HD+ with C atoms reveals pronounced intramolecular kinetic isotope effect
Florian Grussie, Lukas Berger, Manfred Grieser, Ábel Kálosi, Damian Müll, Oldřich Novotný, Aigars Znotins, Fabrice Dayou, Xavier Urbain and Holger Kreckel
Physical Review Letters 132, 243001 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.243001

Absolute rate coefficient measurements of the reactions of vibrationally cold HD+ and H3+ ions with neutral C atoms
Florian Grussie, Lukas Berger, Manfred Grieser, Ábel Kálosi, Damian Müll, Oldřich Novotný, Aigars Znotins, Fabrice Dayou, Xavier Urbain and Holger Kreckel
Physical Review A 109, 062804 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevA.109.062804


Weblinks:

Der Kryogene Speicherring CSR am MPIK

Viewpoint-Artikel bei APS Physics

Astrochemie: Eine Umlaufbahn für ultrakalte Moleküle


Kontakt

Dr. Florian Grussie
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221 516 425

PD Dr. Holger Kreckel
MPI für Kernphysik
Tel.: +49 6221 516-517


Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Dr. Renate Hubele / PD Dr. Bernold Feuerstein
Tel.: +49 6221 516-651 / +49 6221 516-281


CSR-ion-neutral_Figure-1_de.jpg
Abbildung 1: Skizze des CSR mit überlagerten Strahlen zur Untersuchung von Ionen-Neutral-Reaktionen: Der schnelle Neutralstrahl wird durch Vorbeschleunigung negativer Ionen und anschließende Abtrennung des zusätzlichen Elektrons durch einen Infrarotlaser erzeugt. Bildnachweis: MPIK

CSR-ion-neutral_Figure-2_de.png
Abbildung 2: Isotopie-Effekt bei Kollisionen von HD+-Ionen mit neutralen Kohlenstoffatomen: Das leichtere Reaktionsprodukt CH+ wird durchweg gegenüber CD+ bevorzugt, wobei die relative Reaktionsrate zu höheren Energien hin stark ansteigt. Bildnachweis: MPIK