Ein Forschungsteam um Markus Koch vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz hat erstmals in Echtzeit verfolgt, wie sich mehrere Atome zu einem Cluster verbinden und welche Prozesse dabei ablaufen. Dafür haben die Forschenden zunächst Magnesiumatome mithilfe von suprafluidem Helium isoliert und sie anschließend durch einen Laserpuls dazu angeregt, sich aneinander zu binden. Diese Clusterbildung und den dabei stattfindenden Energietransfer zwischen einzelnen Atomen konnten die Forschenden mit einer zeitlichen Auflösung im Femtosekundenbereich beobachten (1 Femtosekunde = 1 Billiardstel Sekunde). Ihre Ergebnisse haben sie kürzlich in der Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht.
„Nanokühlschrank“ bringt Atome in die Startposition
„Normalerweise gehen Magnesiumatome augenblicklich Bindungen miteinander ein, wodurch ein stabiler Ausgangspunkt für die genaue Bobachtung der Prozesse fehlt“, erklärt Markus Koch. Dieses häufig bei der Echtzeitbeobachtung chemischer Prozesse bestehende Problem haben die Forschenden durch Experimente mit suprafluiden Heliumtröpfchen gelöst. Diese Tröpfchen wirken wie ultrakalte „Nanokühlschränke“, die die einzelnen Magnesiumatome bei extrem tiefen Temperaturen von 0,4 Kelvin (= -272,75 Grad Celsius bzw. 0,4 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt) in einem Abstand von einem Millionstel Millimeter voneinander isolieren. „Dieser Zustand erlaubte es uns, die Clusterbildung durch einen Laserpuls gezielt zu starten und in Echtzeit genau zu verfolgen“, erklärt Michael Stadlhofer, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.
Femtosekunden-Spektroskopie macht chemische Prozesse sichtbar
Die durch den Laserpuls ausgelösten Vorgänge beobachteten die Forschenden mithilfe der Photoelektronen- und Photoionenspektroskopie: Während sich die Magnesiumatome zu einem Cluster verbanden, wurden sie mit einem zweiten Laserpuls ionisiert: Anhand der dabei gebildeten Ionen und herausgelösten Elektronen konnten Markus Koch und seine Kollegen die involvierten Prozesse detailliert rekonstruieren.
Atome bündeln ihre Energie
Eine zentrale Entdeckung dabei ist das sogenannte „Energy Pooling“: Während sie sich aneinander binden, geben mehrere Magnesiumatome die vom ersten Laserpuls erhaltene Anregungsenergie an ein einzelnes Atom im Cluster weiter, so dass dieses einen wesentlich höheren Energiezustand erreicht. Dieses „Energie-Bündeln“ konnte erstmals zeitaufgelöst nachgewiesen werden.
Grundlagenforschung mit Anwendungspotenzial
„Wir hoffen, dass diese atomare Separierung in den Heliumtröpfchen auch für eine größere Klasse von Elementen funktioniert und so zu einer allgemein anwendbaren Methode in der Grundlagenforschung wird“, sagt Markus Koch. „Zudem könnten die Erkenntnisse über das Energy Pooling für hochenergetische Prozesse in verschiedenen Anwendungsbereichen relevant sein, etwa in der Photomedizin oder bei der Nutzbarmachung von Sonnenenergie.“
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