Hochgeladene Heliumtröpfchen

Heliumtröpfchen sind vielseitige fliegende kryogene Nanoreaktoren mit einzigartigem Potential zur Erzeugung von Cluster und nanometergroßen Strukturen. Gasförmige Atome und Moleküle bis hin zu geladenen Proteinen lassen sich in Heliumtröpfchen einfangen. Neutrale Dotanten agglomerieren zu Cluster und im Fall von sequentiellem Dotieren wurden bereits erfolgreich sogenannte core-shell Nanopartikel erzeugt. Weiters bilden sich in großen Heliumtröpfchen Nanodrähte durch Kondensation der Dotanten an Quantenwirbeln. Das Fehlen von Lösungsmitteln und Wänden führt zu extrem sauberen Bedingungen für die Erzeugung von Nanopartikeln. Ziel dieses Projekts sind mehrfachgeladene Heliumtröpfchen und deren Anwendungen, die vor kurzem entdeckt wurden. Coulombabstoßung zwischen gleichnamigen Ladungsträgern führt in den flüssigen oder womöglich sogar superfluiden Tröpfchen zu einer regelmäßigen Anordnung der Ladungsträger nahe der Oberfläche des Tröpfchens. Dabei handelt es sich um experimentelle Lösungen des bekannten Thomson-Problems, wie sich Ladungen auf einer leitenden Kugel verteilen. Die Ladungen wirken als Keime für das Wachstum von Dotantencluster und die gleichmäßige Verteilung an der Oberfläche führt zu einem sehr homogenen Wachstumsprozess aller Cluster und dadurch zu einer sehr schmalen Größenverteilung. Im Gegensatz dazu,liefern alle existierenden Methoden zur Clustererzeugung breite Größenverteilungen. Darüber hinaus können abhängig von der Größe der Heliumtröpfchen mehrere tausend Dotantencluster in einem Tröpfchen gleichzeitig erzeugt werden. Im Rahmen des vorliegenden Projekts sollen Experimente das Potential mehrfachgeladener Heliumtröpfchen zur Matrixisolationsspektroskopie von eingeschlossenen (Cluster)ionen sowie als Reaktoren zur Erzeugung von massenselektierten Cluster bzw. Nanoteilchen erforschen. Diese Dotentencluster werden innerhalb der Tröpfchen und auch nach deren Extraktion sowohl in der Gasphase aus auch auf Oberflächen deponiert untersucht. Dafür kommen topaktuelle Techniken, wie hochauflösende Massenspektrometrie, Mikroskopie und Laserspektroskopie zum Einsatz. Drei Doktoratsstudierende werden die Experimente an Apparaturen durchführen, die entsprechend adaptiert und teilweise während des ersten Projektjahres neu entwickelt werden. Bei der Durchführung dieser Arbeiten und den nachfolgenden Arbeitspaketen werden sie von erfahrenen Postdoktorandinnen und Postdoktoranden aus der Arbeitsgruppe in Innsbruck unterstützt. Internationale Kollaborationen mit Projektpartnern aus den USA sind geplant, was zum Erreichen der Projektziele beiträgt