Wechselwirkungen kalter gespeicherter Wasserstoff-Anionen

Das einfachste aller Atome, das Wasserstoffatom, findet sich in zwei sehr gut untersuchten molekularen Formen wieder, als zweiatomiges neutrales Molekül und als positiv geladenes dreiatomiges Molekülion. Vor kurzem wurde es klar, dass auch ein dreiatomiges Anion, d.h. ein negativ geladenes dreiatomiges Wasserstoffmolekül, stabil ist, es ist aber nur sehr wenig über seine Eigenschaften bekannt. Das ist besonders unbefriedigend, weil Wasserstoff das häufigste Atom in unserem Universum ist, es macht 90 Prozent aller existierenden Atome aus. Ob negativ geladene Wasserstoffionen irgendeine Rolle bei der Entwicklung des Gases in unserer und anderen Galaxien spiele, ist daher vollkommen unklar. Um Antworten zu den Eigenschaften dieser flüchtigen molekularen Systeme und ihrer Rolle in der Astronomie zu liefern, haben wir ein Team aus Theoretikern und Experimentatoren in Orsay, Bordeaux und Innsbruck zusammengestellt. Wir werden Rechnungen durchführen zur Struktur und zu Stoßprozessen der Wasserstoff- Molekülanionen. Mit diesen Daten werden wir die Anionen experimentell in einer Ionenfalle herstellen und sie bei niedrigen Temperaturen und in für das interstellare Medium typischen Gasen untersuchen. Die Rechnungen werden vorhersagen, wo die Anionen Infrarotlicht absorpbieren werden und diese Vorhersagen werden wir durch Beleuchtung der Ionen in der Falle überprüfen. Indem wir diese Ergebnisse wieder in die Rechnungen einfließen lassen, werden wir detaillierte Vorhersagen für die Eigenschaften dieser Anionen machen können. Diese Daten sind notwendig um in astronomischen Beobachtungen nach Wassestoffanionen-Komplexen zu suchen. Des weiteren wird unser Team an chemischen Reaktionen arbeiten, die die Wasserstoffanionen-Komplexe bilden und zerstören. So werden wir Vorhersagen für die Häufigkeit dieser Systeme in einer typischen interstellaren Umgebung machen können. Als Ergebnis dieses Projekts werden wir das Verständnis der Struktur und Stabilität von verschiedenen Wasserstoff-Molekülanionen maßgeblich verbessern und die Rolle der Wassserstoffanionen in den kalten, dunklen Gebieten des interstellaren Mediums besser verstehen lernen.

Wasserstoffatome und Moleküle repräsentieren die einfachsten Bestandteile des interstellaren Mediums. Ihre Wechselwirkungen wurden im Fall von neutralen oder positiv geladenen Teilchen bereits umfangreich erforscht. Es wird vermutet, dass negativ geladene Wasserstoffatome ebenfalls im interstellaren Raum vorhanden sind, ein Nachweis war jedoch bisher nicht möglich. In diesem Projekt haben wir die Wechselwirkungen negativ geladener Wasserstoffatome und ähnlicher negativer Ionen mit Wasserstoffmolekülen untersucht. Wir haben nach Möglichkeiten der Herstellung und Charakterisierung negativ geladener Wasserstoffkomplexe gesucht, um die Suche nach negativ geladenen Wasserstoffionen im Weltraum zu unterstützen. Diese Arbeiten wurden in Zusammenarbeit von Experimentatoren an der Universität Innsbruck und Theoretikern am Laboratoire Aime Cotton in Orsay und der Universität Bordeaux durchgeführt. Wir haben eine Reihe von Experimenten zur Wechselwirkung negativer Ionen mit Wasserstoffmolekülen durchgeführt und sie mit genauen quantenmechanischen Rechnungen unserer Kooperationspartner verglichen. Insbesondere haben wir die Tunnel-Reaktion von negativen Wasserstoffionen mit neutralem Wasserstoff untersucht und eine extrem kleine Reaktionswahrscheinlichkeit gemessen, die sehr gut mit den Berechnungen übereinstimmt. Auch haben wir Wege für die Bildung negativ geladener Komplexe durch Stöße bei niedrigen Temperaturen untersucht und die Bildungsrate für Chlor-Wasserstoff-Komplexe bestimmt. In mehreren spektroskopischen Untersuchungen im Ferninfrarotbereich haben wir, wieder im Vergleich mit Berechnungen, interessante quantenmechanische Eigenschaften dieser Komplexe enträtselt, darunter den großen Einfluss der magnetischen Momente in den Atomkernen auf die Schwingungsbewegung dieser Komplexe. Die Experimente in Innsbruck haben verschiedene Radiofrequenz-Ionenfallen verwendet, die es uns ermöglichen negative Ionen für viele Sekunden zu speichern und auf Temperaturen nur wenige Kelvin über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Wir haben auch eine bedeutende technologische Verbesserung erreicht, die Entwicklung einer Draht-Ionenfalle, die es uns erlaubt niedrigere Ionentemperaturen zu erreichen als in unserer früheren Ionenfalle möglich war. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen in Innsbruck, Orsay, und Bordeaux und ihre komplementäre Expertise waren entscheidend für den Erfolg dieses Projekts. Als Ergebnis haben wir eine neue Stufe im Verständnis der Struktur und Stabilität negativ geladener Wasserstoffkomplexe erlangt sowie der Bedeutung der Quantenmechanik für ihre Eigenschaften.