Chemie durch Laserlicht im Ionenkäfig 1. Geladene Teilchen und Felder 2. Auf der Suche nach dem Ionenkäfig 3. Kalte Chemie 4. Chemie mit Ionen im Käfig.

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1 Chemie durch Laserlicht im Ionenkäfig 1. Geladene Teilchen und Felder 2. Auf der Suche nach dem Ionenkäfig 3. Kalte Chemie 4. Chemie mit Ionen im Käfig bei < −200ºC Andreas Wolf Max-Planck-Institut für Kernphysik Physik am Samstagmorgen, MPIK Heidelberg, 24.1.2009

2 − − 1 V Energie 1 eV = 1.6 × 10 -19 Ws + Potentielle Energie U Ort x −1 eV Geladene Teilchen und elektrische Felder M = u = 5 × 10 -27 kg Q = e = 1.6 × 10 -19 As Vakuum < 10 −4 mbar (viel besser in Fallen mit langer Speicherdauer) Ionenmasse und - ladung:

3 + T= 11600 K = 11330 ºC Gasmoleküle hätten die gleiche kinetische Energie bei 20 ºC ~ 300 K ~ 0.025 eV − − 1 V Energie 1 eV = 1.6 × 10 -19 Ws Geladene Teilchen und elektrische Felder M = u = 5 × 10 -27 kg Q = e = 1.6 × 10 -19 As Ionenmasse und - ladung:

4 + + + 1 V Potentiell e Energie U Ort x +1 eV Geladene Teilchen und elektrische Felder

5 + + + Ionenkäfig – ein Versuch Sattel z x y Potentiell e Energie U z y

6 + + + Ionenkäfig – ein Versuch Teilchen auf dem Sattel Potentiell e Energie U z y

7 + + Teilchen auf dem Sattel z y Ionenkäfig – ein Versuch Potentiell e Energie U

8 + + + z x y Gibt es eine berührungsfreie elastische Wand für die Ionen ? Ionenkäfig – ein Versuch Potentiell e Energie U z y

9 + + Ionenkäfig – ein Versuch Gibt es eine berührungsfreie elastische Wand für die Ionen ?

10 + + + + + + + + + + + + Potentiell e Energie U Stangen an positiver Spannungsquelle

11 − − − − − − − − − − − − Potentiell e Energie U Stangen an negativer Spannungsquelle

12 + − + − + − + − + − + − Potentiell e Energie U Stangen abwechselnd gepolt

13 − + − + − + − + − + − + Potentiell e Energie U Stangen abwechselnd gepolt

14 Potentiell e Energie U Schnelle zeitliche Änderung = Hochfrequente Wechselsapannung

15 Ponderomotive Kraft im schwingenden elektrischen Feld – ein universelles Konzept der modernen Physik z.B. geladene Teilchen in starken Laserfeldern Wechselspannung ~ 10 Mhz Periode: 0.1 μs Zeit zum Durchqueren der Falle für die Ionen: einige μs Hochfrequenz-Ionenkäfig mit „reflektierenden“ Wänden

16 ~ 10 MHz ~ 50 V Hochfrequenz-Ionenkäfig mit „reflektierenden“ Wänden

17 URFURF UDCUDC Ionen mit wenigen eV Energie Abstimmbarer Massenfilter (Spannungsänderung) Quadrupol-Ionenkanal Ionenführung entlang der Achse (auch „um die Ecke“) ΔM/M besser als 1000 Hochempfindlicher Nachweis von Spurenstoffen

18 Puffergaskühlung und Einfangen langsamer radioaktiver Ionen SHIPTRAP GSI Darmstadt Penningfalle für seltene Atomkerne am Rand der Stabilität Ein Ionentrichter

19 22pol-Falle zur Puffergaskühlung von Ionen bei 10 Kelvin 10 Kelvin Kältemaschin e

20 HF U1U1 U2U2 U3U3 Ionenkäfig laden und entladen

21 „Kalte Chemie“ Selbständig ablaufende chemische Reaktionen mit aggressiven Reaktionspartnern: - Reaktive neutrale Atome („Radikale“) - Ionen - Elektronen Starke Reaktivität im Quanten-Grundzustand ohne Aktivierungsenergie Auch bei geringsten Temperaturen und Dichten: - Hohe Schichten der Atmosphäre - Astrophysikalische Molekülwolken / Vorstufe der Sternentstehung Mechanismen beim „Angriff“ auf chemische Bindungen

22 http://www.mpi-hd.mpg.de/ion-storage Molekülionen im interstellaren Raum Ionen treiben die Reaktionsketten voran - Mehr als 150 molekulare Verbindungen im interstellaren Raum - Bis zu CH 3 CH 2 OH und anderen organischen Molekülen - Nachgewiesene Ionen: ON2 Star forming region (“Chicken” Nebula) Infrared UKIRT Mauna Kea Chris Davis (JAC) H 3 + CH + CO + SO + CF + HCO +, COH + HCS + HCNH + H 2 COH + HC 3 CNH +...

23 Kalte Chemie im Wasserstoff-Gas H 2 + + H 2 → H 3 + + H + 1.7 eV H 5 + + H 2 → H 7 + + 0.14 eV H 7 + + H 2 → H 9 + + 0.13 eV H 19 + + H 2 → H 21 + + 0.035 eV... H 9 + + H 2 → H 11 + + 0.07 eV H3+H3+ H5+H5++ + + + H 3 + + H 2 → H 5 + + 0.3 eV Durch Entfernen eines Elektrons entsteht H 2 ++ H 2 + reagiert sehr schnell zum dreiatomigen Wasserstoff-Ion H 3 + Neutraler Wasserstoff bildet mit H 3 + Wasserstoff-Cluster („Klumpen“) Die Wasserstoff-Cluster wachsen, bis die Bindung zu „zerbrechlich“ wird H9+H9+ Hochsymmetrisch e Struktur von H 9 + H 11 + Thermische Energie bei Zimmertemperatur: 0.025 eV Weitere H 2 -Komponenten werden nur locker gebunden

24 Speicherionenquelle Ionenerzeugung Puffergaskühlung bei Raumtemperatur Quadrupol-Ionenkanal Massenfilterung der Ionen 22pol-Falle Puffergaskühlun g bei 10 K 10 Kelvin Kältemaschin e Massenfilte r Einzel- Ionen- Zähler D3+D3+ Dn+Dn+ D3+D3+ D2D2 He, D 2 D9+D9+ D 11 + D 13 + D 15 + D 17 + D 19 + D9+D9+ D 11 + D 13 + D 15 + D 17 + D 19 + 1020304050 100 0 200 0 0 Molekülmasse (amu) Ionenzahl −260º C 50 cm

25 Speicherionenquelle Ionenerzeugung Puffergaskühlung bei Raumtemperatur Quadrupol-Ionenkanal Massenfilterung der Ionen 22pol-Falle Puffergaskühlun g bei 10 K 10 Kelvin Kältemaschin e Massenfilte r Einzel- Ionen- Zähler D3+D3+ Dn+Dn+ D3+D3+ D2D2 He, D 2 2040 02040 02040 0 2000 4000 6000 0 2000 4000 6000 0 Molekülmasse (amu) Ionenzahl 0.01 s 0.05 s 0.1 s 1.0 s0.5 s0.2 s 3 5 7 3 5 7 9 15 9 17 −260º C 50 cm

26 60º 180 º 120 º 0.5 1.5 1.0 0 2.0 H – H - Winkel Schwingungsenergie (eV) Interne Molekülbewegung Schwingung Thermische Energie bei Zimmertemperatur: 0.025 eV

27 60º 180 º 120 º 0.5 1.5 1.0 0 2.0 H – H - Winkel Schwingungsenergie (eV) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0 0 1 2 3 4 5 Rotationsenergie (eV) Rotationsstärke um Molekülachse = K ( ℏ ) Bei −260ºC angeregt Bei +20ºC angeregt −260º C Rotation Interne Molekülbewegung Schwingung Thermische Energie bei Zimmertemperatur: 0.025 eV Laseranregung - infrarot - sichtbar

28 Laserinduzierte kalte Chemie+ H 3 + + Ar + 0.57 eV → ArH + + H 2 + ArH + Mit stark schwingendem H 3 + bildet sich ArH + Resonanzfrequenzen bei der Laseranregung geben Aufschluss über die interne Bewegung der H 3 + -Ionen Jede resonante Anregung muss empfindlich nachgewiesen werden (Dichte 10 12 mal geringer als etwa in Luft) Hierzu dient die laserinduzierte Reaktion von H 3 + mit dem Edelgas Argon Ar+ H3+H3+ Kaltes H 3 + reagiert nicht mit Ar- Atomen +

29 Laserinduzierte kalte Chemie H 3 + in starker Schwingung + + H3+H3+ H 3 + + Ar + 0.57 eV → ArH + + H 2 Beim Abstimmen der Laserwellenlänge wird eine Resonanz des H 3 + getroffen Das schwingunsangeregte H 3 + -Ion reagiert zu ArH +, das durch Ionenzählen nachgewiesen wird

30 Speicherionenquelle Ionenerzeugung Puffergaskühlung bei Raumtemperatur Quadrupol-Ionenkanal Massenfilterung der Ionen 22pol-Falle Puffergaskühlun g bei 50 K 10 Kelvin Kältemaschin e Massenfilte r Einzel- Ionen- Zähler H3+H3+ ArH + H 3 + + Ar → ArH + + H 2 nach Laseranregung Laser Regt H 3 + Ionen zum Schwingen und Rotieren an H3+H3+ H2H2 He, Ar

31 Laserspektroskopie der internen Molekülbewegungen Durchstimmare Laserdiode Laserwellenlänge: 766 – 890 nm Relative Linienbreite des Signals:~4 × 10 −6 Relative Linienbreite des Lasers:< 10 −8 Resonanzfrequenzen für stark schwingendes und schwach rotierendes H 3 + „Schmetterlings“-Mode der Molekülschwingung

32 Hochfrequenz-Ionenkäfige bieten reflektierende, berührungsfreie Wände für Ionen (Energien bis ~10 eV) Hochfrequenz-Ionenkanäle (meist 4 Pole = Quadrupole) bieten Ionentransport und schmalbandige Massenfilter („Quadrupol-Massenspektrometer“) → Hochempfindlicher Nachweis z.B. von Spurenstoffen Mit Ionenkäfigen bei tiefen Temperaturen lassen sich chemische Reaktionen unter Extrembedingungen untersuchen Spektroskopie kalter Ionen liefert „Fingerabdrücke“ zu ihrem empfindlichen Nachweis und zur Messung ihrer internen Bewegungszustände Ionenkäfige und kalte Chemie Arbeitsgruppe „HF-Falle und Laserspektroskopie“ Dr. A. Petrignani M. Berg D. Bing H. Kreckel (jetzt Urbana, Illinois) M. Motsch (jetzt MPQ Munchen)

33 Berührungsfreie Wände für geladene Teilchen – Hochfrequenz-Ionenkäfige Ponderomotive Energie U p Geladenes Teilchen wird zum Mitschwingen gezwungen Beschleunigung bewirkt Schwingung mit Geschwindigkeit → Mittlere kinetische Energie des Teilchens: Das ponderomotive Potential Anhan g