11.05.2022

Kühlen mit Elektronen

Elektronenkühler für laserspektroskopische Messungen an Methyliden-Ionen.

Ein einsames, frei im kalten Raum schwebendes Molekül kühlt sich ab, indem es seine Rotation verlangsamt − es verliert spontan seine Rotations­energie in Quanten­übergängen, normalerweise nur alle paar Sekunden einmal. Dieser Prozess kann durch Stöße mit umgebenden Teilchen beschleunigt, verlangsamt oder sogar umgekehrt werden. In einem Experiment am ultra­kalten Speicher­ring CSR haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik die Rate der Quanten­übergänge durch Begegnungen zwischen Molekülen und Elektronen gemessen

Abb.: Am Speicherring CSR am Max-Planck-Institut für Kernphysik nutzten...
Abb.: Am Speicherring CSR am Max-Planck-Institut für Kernphysik nutzten Physiker einen Elektronen6shy;kühler. (Bild: R. Lackner, MPIK)

Dazu brachten die Forschenden isolierte, geladene Moleküle unter kon­trollierten Bedin­gungen bei etwa 26 Kelvin in Kontakt mit Elektronen. Auf diese Weise konnten sie diese bisher nur durch komplexe Berechnungen bekannte Rate hoch genug machen, um sie endlich in einem Experiment quantitativ zu bestimmen. Dazu untersuchten sie laser­spektroskopisch die Besetzung von Quanten­energieniveaus in Methyliden-Ionen (CH+) während einer bis zu zehn­minütigen Speicherzeit.

Da die spontanen Quanten­übergänge elektro­magnetische Strahlung erzeugen, sind sie auch mit Schwarzkörper­anregungen der Moleküle verbunden. Die Elektronen konkurrieren also mit den allgegen­wärtigen Strahlungs­wechsel­wirkungen, um über die Besetzung der Rotations­quantenniveaus in kalten Molekülen zu bestimmen. Daher sind die durch Elektronen verursachten Änderungs­raten der Quanten­niveaus von entscheidender Bedeutung für die Analyse der schwachen Signale von Molekülen im Weltraum, die von Radio­teleskopen erfasst werden, oder für die Vorhersage der niveau­abhängigen chemischen Reaktivität in dünnen, kalten Plasmen.

MPIK / JOL

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