Zustands-selektierte Stöße kalter molekularer Ionen

Kalte Moleküle werden weltweit in vielen Forschungsinstitution untersucht, weil sie neue Möglichkeiten für Präzisionsmessungen und kontrollierte chemische Reaktionen eröffnen. Geladene Moleküle werden häufig in Radiofrequenz-Ionenfallen erforscht, in denen die Kühlung der Rotations- und Vibrations-Bewegung auf Stößen mit einem kalten Gas beruht. Die Effizienz dieses Kühlprozesses ist jedoch in den meisten Fällen nicht genau bekannt. In diesem Projekt schlagen wir vor die Kühlraten für ausgewählte molekulare Ionen zu messen und zu berechnen, wenn diese mit neutralen Heliumatomen bei Temperaturen zwischen etwa 10 und 100 Kelvin zusammenstoßen. Außerdem werden wir Reaktionen der Ionen mit Wasserstoffmolekülen untersuchen, die mit den kühlenden Stößen im Wettbewerb stehen. Experimentell wird Laserspektroskopie verwendet werden während die Molekülionen mit Helium oder Wasserstoff stoßen. Aus diesen Daten werden wir die Kühleffizienzen und Reaktivitäten extrahieren. Theoretisch werden wir quantenmechanische Rechnungen durchführen um die Kühleffizienzen numerisch zu berechnen. Der Vergleich zwischen Experiment und Theorie wird uns dann eine einzigartige Prüfmöglichkeit für die zu Grunde liegende quantenmechanische Beschreibung dieser Stoßprozesse liefern. Insbesondere werden wir nach Quantenstreuresonanzen suchen, Quanteneffekten die kein klassisches Analogon haben. Das Projekt wird am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck durchgeführt werden.

In diesem Projekt untersuchten wir die Stöße von positiv und negativ geladenen Molekülen, bei denen die molekulare Rotations- oder Vibrationsanregung durch die Wechselwirkung mit einem weiteren Atom verringert wurde. Dazu kombinierten wir verschiedene experimentelle und theoretische Methoden. Mittels Speicherung molekularer Ionen in Radiofrequenz-Ionenfallen, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden, bestimmten wir die Wahrscheinlichkeit für Relaxationsprozesse der Rotations- und Vibrationsbewegung. Um für diese Prozesse empfindlich zu sein, wurde durchstimmbares Laserstrahlung verwendet, die es uns erlaubte molekulare Ionen in spezifischen Rotations- oder Vibrations-Quantenzuständen ihrer Bewegung zu neutralisieren. Genaue theoretische Berechnungen wurden in zwei Schritten ausgeführt, zunächst wurde das Wechselwirkungspotential und die entsprechenden Kräfte zwischen dem Molekülion und dem weiteren Atom berechnet. Dann wurde die Wahrscheinlichkeit für Streuung, die zu einer reduzierten Rotations- oder Vibrationsanregung führt, bestimmt. Der Vergleich der Wahrscheinlichkeiten für Relaxationsprozesse in Experiment und Theorie erlaubt einen detaillierten Einblick in die Quantenmechanik des Stoßprozesses. Diese Wahrscheinlichkeiten sind des weiteren für die Modellierung des Verhaltens molekularer Ionen in ihrer natürlichen Umwelt von Interesse, so für die obere Atmosphäre der Erde oder für interstellare Wolken aus kalten Molekülen und Staubteilchen. Eine Reihe verschiedener Molekülionen wurde im Temperaturbereich bis 50 Kelvin untersucht, der für Quanteneffekte und für die Anwendung in interstellaren Wolken besonders relevant ist. Außerdem untersuchten wir Ionen-Molekül-Reaktionen mit molekularem Wasserstoff, die in Konkurrenz zu Relaxationsstößen stehen können. Eines unserer Ergebnisse war, dass für Hydroxyl-Kationen die quantenmechanische Spin-Rotation nicht explizit in theoretischen Modellen berücksichtigt werden muss. Ein weiteres Ergebnis war, dass molekulare Amid-Anionen, die bei tiefen Temperaturen zwei verschiedenen Rotations-Quantenzuständen besetzen, zustandsselektiv aus der Falle entfernt werden können, so dass nur ein Quantenzustand gespeichert bleibt. Als drittes Beispiel erlaubte uns die Kenntnis ihrer Stoßeigenschaften, die Absorptionsfrequenzen des Amid-Anions im Terahertz-Bereich mit bisher unerreichter Genauigkeit zu vermessen. Die Ergebnisse dieses Projekts lieferten Beiträge für die Forschungsarbeiten mehrerer DissertantInnen und MasterstudentInnen. Das Projekt wurde am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck ausgeführt.