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20.06.2018:
Wie Cluster die Temperatur ihrer Umgebung annehmen

Das Labor mit der elektrostatischen Ionenstrahlfalle CTF (Cryogenic Trap for Fast Ion Beams).

Verlauf der mittleren inneren Energie von negativen vieratomigen Cobaltclustern aus zwei verschiedenen Ionenquellen.

Mit einer neuen Methode gelang es Physikern vom MPI für Kernphysik und der Universität Greifswald, die Verteilung der inneren Energie gespeicherter Clusteranionen bestehend aus vier Cobaltatomen und einem zusätzlichen Elektron zeitlich zu verfolgen. So konnten sie beobachten, wie Cluster aus einer heißen bzw. kalten Ionenquelle auf die Temperatur der Falle abkühlen bzw. sich erwärmen, und daraus ein Strahlungsgesetz ableiten.

Man muss eine warme Herdplatte nicht erst anfassen, um die Hitze zu spüren. Bei höheren Temperaturen sieht man sie rot glühen. Auch wenn sie weniger heiß ist, sendet sie Licht aus – dann allerdings nicht im sichtbaren sondern im infraroten Wellenlängenbereich. Diese elektromagnetischen Wellen sind für uns Menschen nicht sichtbar. Für Gegenstände des täglichen Lebens bis hin zum Sonnenlicht kennt man die Strahlungsgesetze schon seit Max Planck, der für seine Untersuchungen den Nobelpreis für Physik des Jahres 1918 bekam. Einzelne Atome für sich genommen senden Strahlung nach ganz anderen, aber ebenfalls wohlbekannten Gesetzen aus. Dagegen ist der Verlauf der Strahlungskühlung für Cluster – Nanoteilchen aus wenigen Atomen oder Molekülen – noch immer nicht vollständig verstanden.

Um dieses Problem anzugehen, haben MPIK-Physiker um Sebastian George und Andreas Wolf zusammen mit Greifswalder Kollegen aus der Gruppe von Lutz Schweikhard sowie der Clusterchemie-Gruppe um Gereon Niedner-Schatteburg aus Kaiserslautern negativ geladene vieratomige Cobaltcluster, Co4, in der elektrostatischen Ionenstrahlfalle CTF (Cryogenic Trap for Fast Ion Beams) untersucht. Die Falle besteht im Wesentlichen aus zwei ionenoptischen Spiegeln, zwischen denen die gespeicherten Ionen in ultrahohem Vakuum hin und her pendeln. Falls die Cluster eine gewisse Wärmeenergie besitzen, d.h. innere Energie in Form von Schwingungen der Atome, kann sich diese auch auf ein Elektron übertragen, das sich vom Cluster löst – je nach Energiemenge früher oder später. Damit ist der Cluster nicht mehr geladen, verlässt die Ionenfalle und landet auf einem Detektor.

Bei den Untersuchungen reichte die innere Energie dafür zunächst nicht aus. Sie wurde den Clustern daher mit Laserpulsen zugeführt. Hierbei kann die Energiemenge über die Energie der Lichtquanten im Laserpuls (also über dessen Wellenlänge) genau bemessen werden. Die Elektronenabgabe als Funktion der Laserwellenlänge diente dann als Sonde für die innere Energieverteilung der gespeicherten Cobaltcluster. Diese wurde mit einer neuen Methode in Schritten von 50 Millisekunden, also 20 Mal pro Sekunde, bis zu 6 Sekunden nach Einfang in der Falle ermittelt.

Bei ihrer Erzeugung erhalten die Cluster innere Energie in einem Ausmaß, das von der Bauart der verwendeten Ionenquelle abhängt. So liegt die innere Energie in einer heißen „Sputter-Ionenquelle“ weit über der Raumtemperatur. Die Form dieser Anfangsverteilung wurde mit Laserpulsen kurz nach dem Einfang vermessen. Mit der Zeit verschob sich die Verteilung sukzessive zu niedrigeren Energien, da die Cluster mehr Wärmestrahlung aussendeten als sie von ihrer Umgebung aufnahmen. Die Clustertemperatur näherte sich also der Temperatur der Falle an, die hier bei Zimmertemperatur betrieben wurde. Neben der heißen Sputter-Quelle kam auch eine sogenannte Laser-Verdampfungsquelle der Kaiserslauterner Arbeitsgruppe zum Einsatz. Diese Quelle erzeugt „kalte Cluster“ mit niedriger innerer Energie. Hier überwog der Strahlungsfluss in umgekehrter Richtung, d.h. die Cluster erwärmten sich mit der Zeit auf Zimmertemperatur. In beiden Fällen strebten sie also zu einen thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung.

Kühlung und Heizung durch Wärmestrahlung sind wichtig für die Stabilität von Nanoteilchen im freien Raum. Im interstellaren Raum zwischen den Sternen ist es aber sehr kalt. Nach den nun vorliegenden ersten Resultaten wird daher die Untersuchung dieses Prozesses auch auf viel niedrigere Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt ausgedehnt. Dabei kommt der kryogene Speicherring CSR zum Einsatz. Bei den aktuellen Experimenten – wiederum an negativ geladenen vieratomigen Cobaltclustern – ist zu beobachten, dass sich bei tiefen Temperaturen der Energieaustausch durch Wärmestrahlung verlangsamt. Die langen Speicherzeiten für Ionenstrahlen im CSR (bis in den Bereich von einer Stunde) erweisen sich daher als besonderer Vorteil für die Untersuchung von Molekülen und Clustern unter interstellaren Bedingungen.

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Publikation:

Long-term monitoring of the internal energy distribution of isolated cluster systems
C. Breitenfeldt, K. Blaum, S. George, J. Göck, G. Guzmán-Ramírez, J. Karthein, T. Kolling, M. Lange, S. Menk, C. Meyer, J. Mohrbach, G. Niedner-Schatteburg, D. Schwalm, L. Schweikhard, A. Wolf
Physical Review Letters 120, 253001 (2018),  DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.253001

 Meldung der Universität Greifswald (idw)

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Kontakt:

Prof. Dr. Andreas Wolf
E-Mail:  andreas.wolf(at)mpi-hd.mpg.de
Tel.: 06221 516503

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit am MPIK

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