Analyse und Kontrolle von dotierten Heliumtröpfchen

Die Kohärente Kontrolle von molekularen Prozessen mit geformten Laserpulsen hat sich zu einem sehr aktiven Forschungsfeld entwickelt und eine Vielzahl erfolgreicher Resultate hervorgebracht. Auch die Spektroskopie von dotierten superflüssigen Heliumtröpfchen hat in den letzten Jahren ein beträchtliches Interesse hervorgerufen, denn diese kalten Nanosysteme zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften aus. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes besteht nun darin diese zwei Felder zu verbinden, indem optimal geformte Laserpulse auf dotierte Heliumtröpfchen angewendet werden. Dies erlaubt es, die photoinduzierte Dynamik von van-der-Waals- Systemen in einer finiten Heliumumgebung zu steuern. Der Einfluss der Matrix auf die molekulare Dynamik wird dabei insbesondere bezüglich superflüssiger Eigenschaften, Blasendynamik, Käfig-Effekten, Relaxationsprozessen und Dekoherenz untersucht. Laserpulskontrolle wurde für dissoziative Prozesse erfolgreich durchgeführt, aber sie erweist sich bisher als schwierig für assoziative binäre Reaktionen. Das Hauptproblem in photoassoziativen Prozessen liegt in den Anfangszuständen, die in den meisten Fällen ein inkohärentes Kontinuum bilden, so dass keine Korrelation zwischen den Stoßpartnern und dem Laserfeld vorhanden ist. Daher sind geringe Abstände und eine bereits bestehende Korrelation der Reaktionspartner für eine effektive Photoassoziation erforderlich. Van-der-Waals- Komplexe in Heliumtröpfchen stellen hier einen gut geeigneten Anfangszustand für eine weitere Assoziation dar. Geformte Laserpulse sollen dabei eingesetzt werden, um das System optimal auf einen kovalent gebundenen Zustand hin zu steuern. Diese Dynamik wird zuerst für Helium-Alkali-Exciplexe untersucht, um deren Bildung mit mehreren angefügten Heliumatomen selektiv zu optimieren, wobei polarisationsgeformte Laserpulse eingesetzt werden. Nachfolgend werden die auf Heliumtröpfchen vorwiegend gebildeten schwach gebundenen Highspin-Zustände von Alkalidimeren und -trimeren angeregt. Über einen oder mehere elektronisch angeregte Zwischenzustände soll das System via intersystem-crossing in kovalent gebundene Lowspin-Zustände transferiert werden. Das kann selektiv über bestimmte Vibrations-Zustände der elektronischen Zwischenzustände erfolgen. Dabei sollen die außergewöhnlichen Eigenschaften der superflüssigen Heliummatrix herausgearbeitet werden. Nachfolgend werden van-der-Waals-Komplexe innerhalb der Heliumtröpfchen hinsichtlich Photoassoziation untersucht. Diese Komplexe können auch in ungewöhnlichen Konfigurationen innerhalb von Helium-Tröpfchen vorliegen, welches die Behandlung der photoinduzierten Dynamik dieser metastablen Zustände erlaubt. Zudem wird versucht in schwach gebundenen Aminosäure-Komplexen Peptidbindung kontrolliert zu induzieren. Weiters wird die molekulare Dynamik von ionischen Komplexen in Heliumtröpfchen untersucht. Dazu wird zuerst mittels einer Elektronenstoßquelle ionisiert und nachfolgend photonisch angeregt oder zweifach ionisiert, welches am besten für ionische Systeme mit niedrigen Anregungs- und Ionisierungsenergien realisierbar ist. Polyzyklisch- aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs), wie Triphenyl und Coronene, werden aufgrund ihrer Bedeutung in der Astrophysik untersucht. Durch Elektronenstoß bzw. Photoanregung wird versucht Cluster aus diesen Molekülen in schwerere PAHs umzuwandeln.

Im Rahmen dieses internationalen Projekts konnte eine Reihe an bahnbrechenden Entdeckungen gemacht werden. Bei der Untersuchung von negativ geladenen Ionen aus Heliumtröpfchen wurde ein starkes Signal auf der Masse des Heliumatoms entdeckt. Helium minus wurde bereits 1939 massenspektrometrisch entdeckt. Diese negativ geladenen Atome leben nur wenige Mikrosekunden. 75 Jahre lang ging die Wissenschaft daher davon aus, dass die Anionen dieses Edelgases exotische Ionen sind und für chemische Prozesse nicht zur Verfügung stehen. Dass das Helium-Anion bei bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen sehr wohl Chemie macht, konnte nun erstmals bewiesen werden. Bei Helium-minus handelt es sich um ein elektronisch angeregtes Heliumatom, welches noch ein weiteres Elektron schwach bindet. Dieses exotische Anion hat eine Anregungsenergie von fast 20 eV und kann damit bis auf Neon alle Atome und Moleküle bei einem Stoß positiv ionisieren. Neben typisch chemischen Reaktionen, wie der Bildung von Salzen, kann He* aber auch beide schwach gebundenen Elektronen auf einen geeigneten Reaktionspartner, wie ein Fulleren übertragen, was eine neue und sehr effektive Möglichkeit zur Bildung von zweifach negativ geladenen Molekülen liefert. In Zusammenarbeit mit dem deutschen Partner, PD Dr. Albrecht Lindinger von der FU-Berlin, wurden schwach gebundene Komplexionen aus Helium und C60 mittels Laser fragmentiert und dabei die Bildung und das Aufschmelzen einer festen Schicht aus Helium um das Fullerenion spektroskopisch untersucht. Diese Phasenübergänge von fest auf flüssig und superfluid konnten sehr genau bestimmt werden und liefern wichtige Erkenntnisse und Vergleichsmöglichkeiten für theoretische Modelle und Rechnungen. Die Messungen bestätigen auch unabhängig die Absorptionslinien von C60+, die von der Gruppe von John Maier aus Basel kürzlich in Nature veröffentlicht wurden. In den letzten zwei Jahren haben mehrere experimentelle Arbeitsgruppen in Europa und den USA neue Apparaturen entwickelt um Ionen mit Heliumatomen zu dekorieren. Durch die schwache Wechselwirkung des Heliumatoms zum Ion kann letztes praktisch ungestört spektroskopisch über die photoinduzierte Fragmentation des Komplexes untersucht werden. Das in Innsbruck entwickelte Verfahren eignet sich für alle Moleküle und auch Cluster und liefert genaue spektroskopische Informationen für jede Anzahl an angelagerten Heliumatomen vom einzelnen angelagertes He Atom bis hin zum komplett in superfluidem He gelösten Ion.