Magnetresonanz in Superflüssigen He Tröpfchen

Die Anwendung spektroskopischer Methoden auf Heliumnanotröpfchen hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Ergebnisse erbracht: den Nachweis von Supraflüssigkeit in Proben einer Größe im Nanometerbereich sowie die Synthese und Strukturuntersuchung instabiler atomarer und molekularer Komplexe, die nur bei Tieftemperaturen unterhalb eines Kelvin entstehen. Während Helium der Anregung mit herkömmlichen Lasern nicht zugänglich ist, haben sich die Dotierung der Heliumtröpfchen mit einzelnen Fremdatomen und -molekülen und deren spektroskopische Untersuchung als die beste Testsonde für die Tröpfcheneigenschaften erwiesen. In der Anwendung zur Synthese instabiler Komplexe dient das Helium als Tieftemperatursubstrat, und hochauflösende Spektroskopie liefert die detaillierte Strukturinformation über die gebildeten Aggregate. Im Gegensatz zur anfänglichen Erwartung lebensdauerbegrenzter spektraler Linienbreiten für die in der supraflüssigen Umgebung eingebetteten Moleküle erwies sich die Wechselwirkung der Teilchen mit dem Tröpfchen als recht kompliziert. Spektrale Linienbreiten wurden experimentell und in theoretischen Modellrechnungen untersucht für eine Klärung dieser Wechselwirkungen; gleichzeitig wurden Schemata entwickelt, die zu reduzierten Breiten und verbessertem Informationsgehalt der gemessenen Linien führen sollten. Ein möglicher Ansatz in dieser Richtung besteht in der Anwendung niederfrequenter Strahlung, bei der gewisse Wechselwirkungen zwischen dem angeregten Fremdatom und dem umgebenden Helium ausgeschaltet sind. Allerdings ist die erreichbare Messempfindlichkeit für Photonen niedriger Energie, z.B. in der Elektronen- oder Kernspinresonanz, häufig sehr gering. Optische Nachweisverfahren sind in dieser Hinsicht leistungsfähiger, so dass sich der vorliegende Antrag auf die Entwicklung neuer Methoden optisch detektierter magnetischer Resonanz (ODMR) in Heliumtröpfchen konzentriert. Während die Energie des zu untersuchenden Übergangs im Mikrowellenbereich liegt, wird eine hervorragende Empfindlichkeit durch einen laseroptischen Nachweis erzielt. Verschiedene experimentelle Techniken zur Herstellung spinpolarisierter Proben sollen angewandt werden. Der Einsatz von ODMR wird die Bearbeitung folgender o.a. Themen erlauben: a) Die Untersuchung des Heliumtröpfchens selbst sowie seiner Wechselwirkung mit den Fremdteilchen. Im Zusammenhang mit der Supraflüssigkeit und den entsprechenden Elementaranregungen ist von besonderem Interesse, dass die Energie von Mikrowellen vergleichbar ist mit den vorhergesagten Oberflächenschwingungsmoden des Tröpfchens. Diesen Anregungen wird eine besondere Rolle für die Dissipation von deponierten Energien und Drehimpulsen zugeschrieben. Bislang gibt es hierzu keine experimentellen Untersuchungen. b) Die hochauflösende Untersuchung der Struktur von neuen Komplexen, die in der kalten Heliumumgebung gebildet werden. Die geplanten Experimente repräsentieren eine Pilotstudie zur magnetischen Resonanzspektroskopie von Molekülen und Aggregaten in Heliumtröpfchen, einer Methode, die in anderen Bereichen der Physik und Chemie eine Standardtechnik der Analytik darstellt. Bei dem beantragten Projekt handelt es sich um grundlegend neue experimentelle Techniken und Untersuchungen, die neben den dargelegten Zielen viel Raum für überraschende Ergebnisse hinsichtlich Phasenübergängen und Wechselwirkungen in finiten Medien bei Tiefsttemperaturen lassen.

Die Anwendung spektroskopischer Methoden auf Heliumnanotröpfchen hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Ergebnisse erbracht: den Nachweis von Supraflüssigkeit in Proben einer Größe im Nanometerbereich sowie die Synthese und Strukturuntersuchung instabiler atomarer und molekularer Komplexe, die nur bei Tieftemperaturen unterhalb eines Kelvin entstehen. Während Helium der Anregung mit herkömmlichen Lasern nicht zugänglich ist, haben sich die Dotierung der Heliumtröpfchen mit einzelnen Fremdatomen und -molekülen und deren spektroskopische Untersuchung als die beste Testsonde für die Tröpfcheneigenschaften erwiesen. In der Anwendung zur Synthese instabiler Komplexe dient das Helium als Tieftemperatursubstrat, und hochauflösende Spektroskopie liefert die detaillierte Strukturinformation über die gebildeten Aggregate. Im Gegensatz zur anfänglichen Erwartung lebensdauerbegrenzter spektraler Linienbreiten für die in der supraflüssigen Umgebung eingebetteten Moleküle erwies sich die Wechselwirkung der Teilchen mit dem Tröpfchen als recht kompliziert. Spektrale Linienbreiten wurden experimentell und in theoretischen Modellrechnungen untersucht für eine Klärung dieser Wechselwirkungen; gleichzeitig wurden Schemata entwickelt, die zu reduzierten Breiten und verbessertem Informationsgehalt der gemessenen Linien führen sollten. Ein möglicher Ansatz in dieser Richtung besteht in der Anwendung niederfrequenter Strahlung, bei der gewisse Wechselwirkungen zwischen dem angeregten Fremdatom und dem umgebenden Helium ausgeschaltet sind. Allerdings ist die erreichbare Messempfindlichkeit für Photonen niedriger Energie, z.B. in der Elektronen- oder Kernspinresonanz, häufig sehr gering. Optische Nachweisverfahren sind in dieser Hinsicht leistungsfähiger, so dass sich der vorliegende Antrag auf die Entwicklung neuer Methoden optisch detektierter magnetischer Resonanz (ODMR) in Heliumtröpfchen konzentriert. Während die Energie des zu untersuchenden Übergangs im Mikrowellenbereich liegt, wird eine hervorragende Empfindlichkeit durch einen laseroptischen Nachweis erzielt. Verschiedene experimentelle Techniken zur Herstellung spinpolarisierter Proben sollen angewandt werden. Der Einsatz von ODMR wird die Bearbeitung folgender o.a. Themen erlauben: a) Die Untersuchung des Heliumtröpfchens selbst sowie seiner Wechselwirkung mit den Fremdteilchen. Im Zusammenhang mit der Supraflüssigkeit und den entsprechenden Elementaranregungen ist von besonderem Interesse, dass die Energie von Mikrowellen vergleichbar ist mit den vorhergesagten Oberflächenschwingungsmoden des Tröpfchens. Diesen Anregungen wird eine besondere Rolle für die Dissipation von deponierten Energien und Drehimpulsen zugeschrieben. Bislang gibt es hierzu keine experimentellen Untersuchungen. b) Die hochauflösende Untersuchung der Struktur von neuen Komplexen, die in der kalten Heliumumgebung gebildet werden. Die geplanten Experimente repräsentieren eine Pilotstudie zur magnetischen Resonanzspektroskopie von Molekülen und Aggregaten in Heliumtröpfchen, einer Methode, die in anderen Bereichen der Physik und Chemie eine Standardtechnik der Analytik darstellt. Bei dem beantragten Projekt handelt es sich um grundlegend neue experimentelle Techniken und Untersuchungen, die neben den dargelegten Zielen viel Raum für überraschende Ergebnisse hinsichtlich Phasenübergängen und Wechselwirkungen in finiten Medien bei Tiefsttemperaturen lassen.