Negativ geladen und trotzdem ziemlich kalt

Anionen, negativ geladene Ionen, lassen sich nur ungern kühlen.

Physiker um Matthias Weidemüller von der Universität Heidelberg und Roland Wester von der Universität Innsbruck haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der Molekül-Anionen in kurzer Zeit auf unter 3 Kelvin gekühlt werden können. Dies ermöglicht zum Beispiel neue Untersuchungen von chemischen Reaktionen im Weltraum.

Die Kühlung von Atomen und Ionen auf nahezu den absoluten Nullpunkt ist heute in vielen Laboren Routine. Die Teilchen lassen sich bei diesen Temperaturen sehr gut kontrollieren, und solche Systeme bieten eine ideale Plattform für die Erforschung vieler wissenschaftlicher Fragestellungen und sind die Basis für Präzisionsuhren oder Quantenbits. Überraschenderweise entziehen sich aber negativ geladene Ionen, sogenannte Anionen, diesen Bemühungen der Wissenschaft. Sie lassen sich nur schwer abkühlen. Forscher der Universitäten Heidelberg und Innsbruck haben nun gemeinsam eine Technik weiterentwickelt, mit der die jeweils wärmsten Teilchen aus einer Wolke von Molekül-Ionen gezielt aussortiert und auf dieses Weise die verbleibenden Molekül-Ionen auf unter 3 Kelvin gekühlt werden können.

Verdampfungskühlung für Anionen

Bei dem Experiment sind die Ionen in einer Radiofrequenzfalle eingeschlossen und verteilen sich entlang der Längsachse der Falle. Dabei können sich Ionen mit höherer Energie weiter vom Zentrum der Falle entfernen. „Das nutzen wir aus, um diese Ionen gezielt aus dem Spiel zu nehmen“, erzählt Eric Endres vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck. „Mit einem fokussierten Laserstrahl, der auf den Rand der Ionenwolke zielt, neutralisieren wir die wärmeren Ionen. Die Photonen des Lasers lösen dabei ein Elektron aus dem Anion, wodurch ein neutrales Molekül entsteht, das aus der Falle fällt.“ Nachdem die hochenergetischen Ionen verdampft sind, kühlen sich die verbleibenden Ionen auf eine niedrigere Temperatur ab. „Durch langsames Bewegen des Laserlichts in Richtung des Fallenzentrums werden die Anionen mit der höchsten Energie nacheinander verdampft, was in weniger als vier Sekunden zu einer Temperatur von 2,2 Kelvin führt“, erklärt Saba Hassan vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg.

Bisher eingesetzte Techniken erlauben das Kühlen von Anionen bis 3 Kelvin. „Mit der von uns weiterentwickelten Methode kann diese Schranke nun im Prinzip für jede Art negativ geladener Moleküle durchbrochen werden, was viele neue Untersuchungen über die Grundlagen der Natur oder zum Beispiel von chemischen Reaktionen im Weltraum erlaubt“, zeigen sich die Forschungsgruppenleiter Matthias Weidemüller und Roland Wester begeistert.

Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Eric Endres
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
+43 512 507 52601
Eric.Endres@uibk.ac.at
https://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/

Roland Wester
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
+43 512 507 52620
Roland.Wester@uibk.ac.at
https://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/

Originalpublikation:

Laser-induced forced evaporative cooling of molecular anions below 4 K. Jonas Tauch, Saba Z. Hassan, Markus Nötzold, Eric S. Endres, Roland Wester & Matthias Weidemüller. Nature Physics (2023) DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02084-6

Weitere Informationen:

https://www.nature.com/articles/s41567-023-02085-5 – Anions get cold (Nature News & Views)

https://www.uibk.ac.at/de/newsroom/2023/negativ-geladen-und-trotzdem-ziemlich-kalt/