Mit Ionen Moleküle finden

Wenn wir an Ionen denken, denken wir normalerweise an einzelne Atome, die einige Elektronen verloren oder aufgenommen haben, aber auch ganze Moleküle können zu Ionen werden. In einer neuen Veröffentlichung, die als Vorschlag des Herausgebers in hervorgehoben wurde Briefe zur körperlichen Überprüfung Diese Woche zeigen Physiker der Universität Amsterdam, QuSoft und der Stony Brook University, dass kalte Molekülionen mit einer neuen Methode erzeugt werden können und dass sie ein sehr nützliches Werkzeug zum Nachweis kleiner Mengen anderer, regulärer Moleküle sind.

Eingefangene Ionen

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül mit einem Überschuss oder Mangel an Elektronen. Als geladene Teilchen können Ionen von elektromagnetischen Feldern „eingefangen“ werden: Es ist einfach, sie in einer festen Position zu halten. Eingefangene Ionen bilden eine vielversprechende Plattform für Quantencomputer. Der Grund dafür ist, dass sie lange speicherbar sind und moderne Laser den Physikern erlauben, einzelne Ionen sehr genau zu kontrollieren. Diese Eigenschaften machen gefangene Ionen auch zu erstklassigen Kandidaten für die Untersuchung chemischer Reaktionen, insbesondere wenn sie in ein Bad aus regulären Atomen oder Molekülen eingetaucht sind.

In vielen Physikexperimenten ist es nützlich, extrem kalte Teilchen zu untersuchen – ganz einfach, weil sich kalte Teilchen langsamer bewegen und weniger vibrieren, sodass es im Experiment weniger „Rauschen“ gibt. Bisher waren Ionen-Molekül-Studien auf kalte Moleküle mit Temperaturen um 1 Kelvin (dh ein Grad über der absoluten Nulltemperatur) beschränkt, aber das hybride Ionen-Atom-Experiment an der Universität Amsterdam verwendet jetzt Moleküle mit Temperaturen von nur wenigen Millionstel Kelvin, um die kältesten Ionen-Molekül-Kollisionen der Welt zu untersuchen.

Physiker unter der Leitung von Rene Gerritsma vom UvA-Institut für Physik und QuSoft in Zusammenarbeit mit Arghavan Safavi-Naini (UvA/QuSoft) und Jesus Pérez-Ríos (Stony Brook University) maßen das Molekülion, das in einer chemischen Reaktion entsteht, bei der Lithiummoleküle ( Li2) und atomare Ytterbium-Ionen (Yb+) werden zu Lithiumatomen (Li) und molekularen Lithium-Ytterbium-Ionen (LiYb+). Sie konnten diese chemische Reaktion nutzen, um sehr kleine Mengen von Molekülen zu erfassen. Ihre Ergebnisse wurden diese Woche in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Ultrakalte Gase

Neben zahlreichen anderen Einsatzmöglichkeiten, etwa in hochpräzisen Uhren und Quantensimulationen von Vielteilchensystemen, lassen sich mit ultrakalten Gasen auch kalte Moleküle erzeugen. Mithilfe einer Technik namens Magneto-Assoziation können sogenannte Feshbach-Dimere aus einem ultrakalten Gas hergestellt werden – Moleküle, die so kalt sind wie das Gas, aus dem ihre Teile stammen. Durch die Kombination dieser Moleküle mit einem einzelnen gefangenen Ion beobachteten die IoP-Physiker Henrik Hirzler, Rianne Lous und Eleanor Trimby zum ersten Mal chemische Reaktionen zwischen Ionen und Molekülen mit ultrakalten Molekülen.

Die Forscher beobachteten, dass Kollisionen zwischen einem einzelnen Ion und einem Feshbach-Dimer zur Bildung des oben erwähnten Molekül-Ions führten, wobei eines der Atome des Moleküls an dem Ion haften blieb. Betrachtet man die Fluoreszenz des Ions, kann man die Bildung des Molekülions daran erkennen, dass die Fluoreszenz dunkel wird, was darauf zurückzuführen ist, dass das Molekülion Energieniveaus hat, die sich von denen des Atomions unterscheiden. Das Vorhandensein des Molekülions wurde auch bestätigt, indem die Frequenz gemessen wurde, mit der es in der Ionenfalle mitschwingt, eine Frequenz, die für die schwereren Molekülteilchen unterschiedlich ist. Zusätzliche Messungen ergaben das tatsächlich jeden Ion-Molekül-Kollision führte zur Bildung eines Molekülions.

Eine nützliche Reaktion

Die Gruppe stellte dann fest, dass ihre Methoden sehr empfindlich waren: Sie konnten die Reaktion Li2 + Yb+ → LiYb+ + Li verwenden, um nur etwa 50 Moleküle in einer Wolke von 20.000 Atomen nachzuweisen. Für solche Spurenmengen von Molekülen versagen normalerweise normale Abbildungstechniken. Daher könnte das Ion als viel besserer Sensor für die Moleküle verwendet werden. Dieses Ergebnis ist ein erster Schritt, um Quantenzustände von Materie mit nur einem einzigen Ion als Detektor untersuchen zu können.

Die beobachtete kalte chemische Reaktion weist auch auf eine neue Methode hin, um kalte und kontrollierbare Molekülionen zu erhalten. Diese sind besonders interessant für die Präzisionsspektroskopie und für ein besseres Verständnis von ultrakalten Kollisionen und Chemie.