Konzept für neue Technik zur Untersuchung superschwerer Elemente vorgestellt

Die Laserresonanzchromatographie wird zuerst bei Lawrencium, Element 103, angewendet. Abb./©: Mustapha Laatiaoui

Superschwere Elemente sind faszinierende nukleare und atomare Quantensysteme, die die experimentelle Erprobung herausfordern, da sie in der Natur nicht vorkommen und, wenn sie künstlich hergestellt werden, innerhalb von Sekunden zerfallen.

Um die Spitzenforschung in der Atomphysik auf diese Elemente auszuweiten, sind bahnbrechende Entwicklungen hin zu schnellen Atomspektroskopietechniken mit extremer Empfindlichkeit erforderlich.

Eine gemeinsame Anstrengung im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Leitung von Dr. Mustapha Laatiaoui, Wissenschaftler an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM), mündete in die Entwicklung einer neuen Methode der optischen Spektroskopie: Die als Laserresonanzchromatographie (LRC) bezeichnete Technik soll solche Untersuchungen auch bei kleinsten Produktionsmengen ermöglichen.

Der Vorschlag wurde kürzlich in den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Physical Review A veröffentlicht.

Superschwere Elemente – abgekürzt SHE für Superheavy Elements – sind ganz unten im Periodensystem der Elemente aufzufinden. Sie stellen einen fruchtbaren Boden dar, um ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie solche exotischen Atome existieren und funktionieren können, wenn eine überwältigende Anzahl von Elektronen in den Atomhüllen und Protonen und Neutronen im Kern zusammenkommen.

Einblicke in ihre elektronische Struktur können durch optische Spektroskopie-Experimente gewonnen werden, die elementspezifische Emissionsspektren enthüllen. Diese Spektren liefern wertvolle Informationen für moderne Atommodell-Berechnungen und wären etwa auch nützlich bei der Suche nach Spuren noch schwererer Elemente, die beispielsweise bei Neutronen-Sternfusionen entstehen können.

LRC-Technik kombiniert verschiedene Verfahren

Obwohl SHEs schon vor Jahrzehnten entdeckt wurden, hinkt ihre Untersuchung mit optischer Spektroskopie der Synthese dieser Elemente weit hinterher. Der Grund ist, dass sie nur in kleinsten Mengen hergestellt werden und daher nicht mit traditionellen Methoden zu erforschen sind. Bislang endet die optische Spektroskopie bei Nobelium, dem 102. Element des Periodensystems.

„Die derzeitigen Techniken sind an der Grenze des Machbaren angelangt“, erklärt Laatiaoui. „Ab dem nächst schwereren Element ändern sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften schlagartig und erschweren die Bereitstellung von Proben in geeigneten atomaren Zuständen.“

Der Physiker hat zusammen mit Forschungskollegen daher den neuartigen Ansatz der LRC-Technik entwickelt. Sie kombiniert die Elementselektivität und spektrale Präzision der Laserspektroskopie mit der Ionenmobilitätsmassenspektrometrie und vereint die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit mit der „Einfachheit“ der Laser-induzierten Fluoreszenzspektroskopie.

Die Kernidee besteht darin, die Produkte resonanter optischer Anregungen nicht anhand von Fluoreszenzlicht wie üblich, sondern anhand ihrer charakteristischen Driftzeit zu einem Teilchendetektor zu detektieren.

In ihrer theoretischen Arbeit konzentrierten sich die Autoren auf einfach geladenes Lawrencium, Element 103, und auf sein leichteres chemisches Homolog. Aber das Konzept bietet einen beispiellosen Zugang zur Laserspektroskopie vieler anderer monoatomarer Ionen des Periodensystems, insbesondere der Übergangsmetalle einschließlich der hochtemperaturbeständigen Refraktärmetalle und der Elemente jenseits des Lawrenciums.

Andere Ionenspezies wie das dreifach geladene Thorium sollen ebenfalls in Reichweite der LRC-Methode liegen. Darüber hinaus ermöglicht die Methode die Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses und erleichtert damit die Ionenmobilitätsspektrometrie, die zustandsselektive Ionenchemie und andere Anwendungen.

Dr. Mustapha Laatiaoui kam im Februar 2018 an die JGU und das Helmholtz-Institut Mainz und erhielt für seine Forschungen zur Untersuchung der schwersten Elemente mittels Laserspektroskopie und Ionenmobilitätsspektrometrie Ende 2018 eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU, den ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats.

In die aktuellen Veröffentlichungen gingen auch Arbeiten ein, die der Physiker bei vorherigen Tätigkeiten am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und an der Katholischen Universität Löwen in Belgien durchgeführt hatte.

Die Arbeit erfolgte in Kooperation mit Alexei A. Buchachenko vom Skolkovo Institute of Science and Technology und Institute of Problems of Chemical Physics, beide in Moskau, Russland, und Larry A. Viehland von der Chatham University, Pittsburgh, USA.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_him_optische_spektroskopie_01.jpg
Die Laserresonanzchromatographie wird zuerst bei Lawrencium, Element 103, angewendet.
Abb./©: Mustapha Laatiaoui

https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_him_optische_spektroskopie_02.jpg
Laserresonanzchromatographie basiert auf optischer Anregung von Ionen und anschließender Detektion ihrer Ankunftszeit am Detektor.
Abb./©: Mustapha Laatiaoui

Weiterführende Links:
https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz (HIM)
https://www.horizont2020.de/ – EU-Rahmenprogramm Horizont 2020
https://www.lrc-project.eu/ – Europäisches LRC-Projekt

Dr. Mustapha Laatiaoui
Department Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz und
Helmholtz-Institut Mainz
55099 Mainz
Tel. 06131 39-29752
E-Mail: mlaatiao@uni-mainz.de
https://www.hi-mainz.de/research/research-sections/she-physics-chemistry-of-supe…

M. Laatiaoui, A. A. Buchachenko, L. A. Viehland, Laser resonance chromatography of superheavy elements, Physical Review Letters 125:2, 10. Juli 2020,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.023002
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.023002

M. Laatiaoui, A. A. Buchachenko, L. A. Viehland, Exploiting transport properties for the detection of optical pumping in heavy ions, Physical Review A 102:1, 10. Juli 2020,
DOI: 10.1103/PhysRevA.102.013106
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.102.013106

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