Clusterkühlung im Speicherring

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.

Mit dieser Thematik befasst sich eine Abteilung des Max-Planck-Instituts für Kern­physik in Heidel­berg in einer Kollaboration mit der Universität Greifs­wald. Der Greifs­walder Doktorand Christian Breiten­feldt aus der Arbeits­gruppe von Lutz Schweikhard nutzt für seine Unter­suchungen die elektro­statischen Ionen­strahlfalle CTF (Cryogenic Trap for Fast Ion Beams) der Abteilung von Klaus Blaum unter der Federführung von Andreas Wolf und Sebastian George.

Für ihre Untersuchungen wählten sie Nanosysteme aus vier Kobalt­atomen. Diese Kobalt­cluster wurden mit einem zusätzlichen Elektron als negativ geladene Ionen erzeugt und in der CTF eingefangen. Die Falle besteht im Wesentlichen aus zwei ionen­optischen Spiegeln, zwischen denen die gespeicherten Ionen in ultra­hohem Vakuum hin und her pendeln – ganz ähnlich wie in einem von der Greifs­walder Gruppe entwickelten Gerät, das am CERN zur Präzisions­massen­messung exotischer Atomkerne eingesetzt wird.

Falls die Nano­teilchen eine gewisse Wärme­energie besitzen, d.h. eine „innere Energie“ in Form von Schwingungen der Atome, kann sich diese auch auf das Elektron übertragen. Dies führt dazu, dass sich das Elektron vom Cluster löst – je nach Energie­menge früher oder später. Damit ist der Cluster nicht mehr geladen, wird nicht länger gespeichert und wird nach dem Verlassen der Ionenfalle mit einem Detektor nachgewiesen. Ziel der Experimente war es, die Ablösung des über­zähligen Elektrons der negativen Cluster zeit­aufgelöst zu beobachten und somit auf die dafür nötige innere Energie des Clusters zurück­zuschließen. Dazu wurden die Cluster mit Laser­licht bei verschiedenen Wellen­längen bestrahlt, d.h. mit unter­schiedlich energetischen Photonen. Die Elektronen­abgabe als Funktion der Laser­wellen­länge diente als Sonde für die innere Energie­verteilung der gespeicherten Kobalt­cluster.

Der Aufbau erlaubte die Ionenuntersuchung mit jeweils 120 Messungen über eine Zeit­spanne von sechs Sekunden. Es wurde also 20 Mal pro Sekunde die Verteilung der inneren Energie der Cluster bestimmt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Wärme­energie verfolgt werden. Dieser wiederum ermöglichte Rück­schlüsse auf den Energie­austausch durch Wärme­strahlung mit der Umgebung, hier der Vakuum­apparatur, die sich bei den Untersuchungen auf Zimmer­temperatur befand. Hatten die Cluster schon bei Speicher­beginn eine hohe innere Energie, so konnten die Wissen­schaftler im Laufe der Zeit eine Abkühlung beobachten. Wurden die Cluster dagegen aus einer besonders kalten Quelle geliefert, die eine Gruppe der Universität Kaiser­lautern zu den Experimenten beisteuerte, so wärmten sich Cluster auf. In beiden Fällen strebten sie zu einem Gleich­gewicht des Wärme­flusses, d.h. zur Umgebungs­temperatur des experimentellen Aufbaus.

Kühlung und Heizung durch Wärmestrahlung sind wichtig für die Stabilität von Nanoteilchen im freien Raum. Unter Weltraum­bedingungen – im inter­stellaren Raum zwischen den Sternen – können die Umgebungs­temperaturen sehr kleine Werte erreichen. Nach den nun vorliegenden ersten Resultaten wird daher die Unter­suchung dieses Prozesses auch auf viel kleinere Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Null­punkt ausgedehnt. Dabei kommt der kryogene Speicher­ring CSR zum Einsatz, der vor kurzem am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Betrieb gegangen ist. Bereits bei den derzeit durchgeführten Experimenten – wiederum an den negativen vier­atomigen Kobalt­clustern – ist zu beobachten, dass sich bei den geringen 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.

U. Greifswald / DE