ESR in He-Tröpfchen für Magnetismus- und Spindynamikstudien

Mittels Magnetresonanzspektroskopie können sehr präzise und detaillierte Informationen über strukturelle, magnetische und dynamische Eigenschaften von Materie gewonnen werden, wobei die erhaltenen Spektren Aufschluss über das unmittelbare atomare Umfeld geben. Besonders Elektronenspinresonanz (ESR) ist für magnetische Studien geeignet, sogar ESR-inaktive Materialien können mittels der Methode des Spin-Labelings untersucht werden. Supraflüssige Heliumnanotröpchen (HeN) sind ein überaus flexibles Tool um einzelne Atome, Moleküle oder Cluster isoliert von störenden Umgebungseinflüssen bei einer Temperatur von 0.38 K zu untersuchen. Überaus vielfältige Dotierungsvarianten ermöglichen es maßge-schneiderte Aggregate zu erzeugen. Kürzlich ist es uns gelungen diese zwei erfolgreichen Methoden erstmals zu vereinen und die ersten ESR Spektren von einzelnen Alkalimetallato-men in HeN aufzuzeichnen. Die Isolation in diesen kalten Containern resultiert in sehr schmalen ESR Linien und die geringfügige Beeinflussung durch den Heliumtropfen spiegelt sich in einer Erhöhung des Fermi-Kontakt-Terms um etwa 400 ppm wieder, die jedoch von der Tropfengröße abhängig ist. Das Fehlen von Relaxationsmechanismen macht ESR-Übergänge in HeN zu einem kohärenten Prozess mit langen Spinlebensdauern. Die hohe Auflösung von ESR in HeN und im Besonderen die gezeigte Abhängigkeit von der Tropfengröße eröffnen fundamental neue magnetische und spindynamische Untersu-chungsmöglichkeiten. Im Zuge dieses Projekts soll ESR in HeN in eine universelle Methode für Magnetismus- und Spindynamikstudien einzelner Atome, Moleküle und Cluster entwickelt werden. In einem ersten Schritt wird ein an der Oberfläche sitzendes Rubidiumatom (Rb) als Spin-Label verwendet werden um ESR inaktive Teilchen im Inneren des HeN zu untersu- chen. Eine Veränderung des bekannten Rb-HeN ESR-Spektrums soll Rückschlüsse auf Van-der-Waals- und magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung geben, wobei der Abstand der Wechselwirkungspartner durch eine Veränderung der Tropfengröße eingestellt werden kann. Als zweiten Schritt sollen einzelne Kupfer- und Chromatome in HeN mittels ESR in HeN untersucht werden, was einen Grundstein für magnetische Studien von technisch rele-vanten Metallclustern bei tiefen Temperaturen legen soll. Schlussendlich planen wir die Me-thode auf Spezies mit schneller Spinrelaxation zu erweitern. Diese Forschung verbindet Atom- und Molekülphysik mit Gebieten wie Finite-Size Condensed-Matter, Magnetismus in mesoskopischen Systemen und Einzelmolekühlreaktionen.

Supraflüssige Helium-Nanotröpfchen von etwa 5 nm Durchmesser und einer Temperatur von 0.4 K stellen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften einen exzellenten Zugang für die Synthese und Untersuchung neuartiger Nanomaterialien dar. Im Zuge des vom FWF geförderten Projekts wurde der Einfluss des supraflüssigen Mediums auf verschiedene Quantenzustände von Atomen und Molekülen sowie auf deren Aggregation im Inneren der Tröpfchen untersucht. Von zentraler Bedeutung in diesem Zusammenhang sind die Dynamiken, die durch die optische Anregung einzelner Atome mittels Photonen ausgelöst werden.Die stetig wachsende Beliebtheit von Helium-Nanotröpfchen beruht Großteiles auf der Tatsache, dass die in ihnen isolierten Teilchen aufgrund der tiefen Temperaturen in den Grundzustand abgekühlt werden und der Einfluss des Quantenfluids minimal ist. Um die Beeinflussung im Grundzustand zu bestimmen kam Elektronenspinresonanz zum Einsatz, eine Methode, die im Zuge eines vorangehenden FWF Projekts in Heliumtröpfchen entwickelt wurde. Neben einer entscheidenden methodischen Verbesserung konnte eine minimale Kompression des Valenzelektrons einzelner Alkaliatome durch das umgebende Helium mit äußerster Präzision gemessen werden.Entschieden anders ist die Sachlage allerdings wenn die Atome aus dem Grundzustand in einen höheren Zustand, durch Absorption eines Photons, angeregt werden. Eine Ausdehnung des Valenzelektrons führt zu einer stark abstoßende Wechselwirkung mit der superfluiden Umgebung, wodurch es zu komplexen dynamischen Prozesse kommt. Anhand einer Reihe laserspektroskopischer Experimente an Chrom (Cr) und Kupfer (Cu) Atomen, konnte folgendes Modell dieser Dynamik erstellt werden: Durch die repulsive Wechselwirkung kommt es unmittelbar zu Ausstoß der Atome aus dem Tröpfchen. Während des Durchdringens des Heliums finden sehr effiziente Relaxationsmechanismen statt, bei denen tieferliegende Elektronenzustände besetzt werden, wobei die Bildung von Cr-He Molekülen bei diesen Mechanismen eine zentrale Rolle spielt. Je größer die Tröpfchen sind, desto effizienter läuft die Relaxation ab. Diese Ergebnisse bilden eine wichtige Basis für zukünftige Studien über photoinduzierte Prozesse in Helium-Nanotröpfchen. So scheinen zum Beispiel zeitaufgelöste Relaxationsstudien von biologisch relevanten Molekülen wie Nukleobasen vielversprechend, da in den Tröpfchen eine Beeinflussung durch die kontrollierte Zugabe bestimmter Moleküle wie Wasser untersucht werden kann.