Optische Spektroskopie superschwerer Elemente

Superschwere Elemente kommen in der Natur nicht vor und zerfallen bei künstlicher Herstellung inner­halb von Sekunden. Um die Forschung in der Atomphysik auf diese Elemente auszuweiten, sind bahn­brechende Entwicklungen hin zu schnellen Atom­spektro­skopie­techniken mit extremer Empfindlichkeit erforderlich. Eine gemeinsame Anstrengung im Rahmen des Forschungs- und Innovations­programms Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Leitung von Mustapha Laatiaoui von der Uni Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz mündete in die Entwicklung einer neuen Methode der optischen Spektro­skopie: Die als Laser­resonanz-Chromato­graphie, kurz LRC, bezeichnete Technik soll solche Unter­suchungen auch bei kleinsten Produktions­mengen ermöglichen.

Einblicke in ihre elektronische Struktur super­schwerer Atome lässt sich durch optische Spektro­skopie-Experi­mente gewinnen, die element­spezifische Emissions­spektren zeigt. Diese Spektren liefern wertvolle Informa­tionen für moderne Atom­modell-Berechnungen und wären etwa auch nützlich bei der Suche nach Spuren noch schwererer Elemente, die bei Neutronen-Stern­fusionen entstehen können. Ein Problem ist aller­dings, dass super­schwere Elemente nur in kleinsten Mengen herge­stellt werden und daher nicht mit traditio­nellen Methoden zu erforschen sind. Bislang endet die optische Spektro­skopie bei Nobelium, dem 102. Element des Perioden­systems.

„Die derzeitigen Techniken sind an der Grenze des Machbaren angelangt“, erklärt Laatiaoui. „Ab dem nächst schwereren Element ändern sich die physikalisch-chemischen Eigen­schaften schlagartig und erschweren die Bereit­stellung von Proben in geeigneten atomaren Zuständen.“ Der Forscher hat zusammen mit Kollegen daher den Ansatz der LRC-Technik entwickelt. Sie kombiniert die Element­selektivität und spektrale Präzision der Laser­spektro­skopie mit der Ionen­mobilitäts­massen­spektro­metrie und vereint die Vorteile einer hohen Empfind­lichkeit mit der Einfach­heit der laser­indu­zierten Fluoreszenz­spektro­skopie. Die Kernidee besteht darin, die Produkte resonanter optischer Anregungen nicht wie üblich anhand von Fluoreszenz­licht, sondern anhand ihrer charakte­ris­tischen Driftzeit zu einem Teilchen­detektor zu detektieren.

Bei ihrer theoretischen Arbeit konzentrierten sich die Wissen­schaftler auf einfach geladenes Lawrencium, Element 103, und auf sein leichteres chemisches Homolog. Aber das Konzept bietet einen beispiel­losen Zugang zur Laser­spektro­skopie vieler anderer mono­atomarer Ionen des Perioden­systems, insbesondere der Übergangsmetalle einschließlich der hochtemperaturbeständigen Refraktär­metalle und der Elemente jenseits des Lawrenciums. Andere Ionen­spezies wie das dreifach geladene Thorium sollen ebenfalls in Reichweite der LRC-Methode liegen. Darüber hinaus ermöglicht die Methode die Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses und erleichtert damit die Ionen­mobilitäts­spektro­metrie, die zustands­selektive Ionen­chemie und andere Anwendungen.

JGU / RK

Weiter Infos

• Originalveröffentlichungen
  M. Laatiaoui, A. A. Buchachenko & L. A. Viehland: Laser resonance chromatography of superheavy elements, Phys. Rev. Lett. 125, 2 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.023002
  M. Laatiaoui, A. A. Buchachenko & L. A. Viehland: Exploiting transport properties for the detection of optical pumping in heavy ions, Phys. Rev. A 102, 1 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevA.102.013106
• Institut für Kernchemie, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz