Photoassoziation kalter Moleküle

Ziele

Ziel unseres Forschungsvorhabens ist die Erzeugung mehratomiger photostabilisierter Aggregate. Unmittelbar sollen die in einem Molekularstrahl erzeugten Quecksilbercluster als Reaktanten zur Komplexbildung von Quecksilberhalogeniden eingesetzt werden. Hier sollen realisiert werden:

  •  Reaktionsstudien am Nichtleiter-Metallübergang durch Änderung unterschiedlicher Parameter (Reaktanten, Lichtfelder)
  •  Photoassoziation und Photostabilisierung der Reaktanten durch geformte FS-Pulse

 

Es soll damit schließlich möglich sein, die Photoassoziaton von Molekülen, welche größer als Dimere sind, bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen. Mittelfristig wird der Aufbau einer Heliumtröpfchenquelle realisiert. Die vom Helium in der Gasphase aufgesammelten Atome und/oder Moleküle sind am Tröpfchen lokalisisiert und sollten photoassoziiert werden können, wobei die geeignete Laserpulsform im Verfahren ermittelt wird. Der Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, deutlich größere Moleküle als Dimere bei sehr kleinen Temperaturen zu untersuchen.

Photochemie von in Heliumtröpfchen lokalisierten Atomen und Molekülen: a) Atome und Moleküle werden von einem Heliumtröpfchen (~ 100.000 Atome) aufgelesen. b) Im Innern lokalisierte aber nicht gebunden Reaktanten sollen mit einem geformten Laserpuls assoziiert werden. c) Das Helium dampft ab und das stabile Reaktionsprodukt kann nachgewiesen werden.

 

Methodik

Bei der für die Experimente neu aufgebauten Apparatur (siehe untere Abbildung) handelt es sich um ein differenziell gepumptes Hochvakuum-System mit drei Kammern, die von leistungsfähigen Turbomolekularpumpen evakuiert werden. In der ersten Kammer wird durch Erhitzen eines Quecksilberreservoirs bis auf ca. 350°C ein Quecksilberclusterstrahl erzeugt.

 

 

Der Quecksilberdampf expandiert durch eine Düse in das Vakuum und kühlt dort sehr stark adiabatisch ab. Zahlreiche Stöße der Atome führen zur Bildung von Clustern unterschiedlicher Größe. Der Skimmer, ein trichterförmiger Hohlkörper mit einem ca. 2mm großem Loch an der Spitze, welcher die Quellkammer von der Wechselwirkungszone trennt, extrahiert aus der Expansionswolke einen Molekularstrahl, der in die nächste Kammer eintritt. Hier passieren die van-der-Waals-gebundenen Cluster eine Gaszelle, in der verschiedene Reaktanten, wie beispielsweise Iod, aufgenommen werden. Der Aufbau ermöglicht nun die Einstrahlung von Laserpulsen kollinear und senkrecht zur Molekularstrahlrichtung. Dies bewirkt gegebenenfalls eine optische Anregung der Cluster in der Form, dass deren Reaktivität gesteigert und stabile Komplexe erzeugt werden können. Die noch immer neutralen Aggregate werden in der dritten Kammer zwecks massenspektrometrischer Charakterisierung durch einen Quadrupol-Filter mittels Elektronenstoß ionisiert. An dem Ionisations- und Fragmentationsverhalten der Reaktionsprodukte lässt sich dann ablesen, ob das System durch Photoanregung stabilisiert wurde oder es sich nach wie vor um ein van-der-Waals-gebundenes Aggregat handelt. Alternativ würde eine bereits in Planung befindliche Modifikation auch eine Photoionisation der neutralen Cluster ermöglichen, was eine spezifischere Charakterisierung erlauben wird.

 

Lasersetup

Eine Übersicht über das Lasersystem, welches geformte Laserpulse zur Verfügung stellt, zeigt nachfolgende Abbildung:

Die Erzeugung der fs-Pulse wird mit einem Prismenoszillator gemäß eines Kapteyn-Murname Designs realisiert, der durch einen Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von 4W im Dauerstrichbetrieb gepumpt wird. Die hier erzeugten Pulse verfügen über eine Energie von 6nJ bei einer Repetitionsrate von 87MHz und werden nachverstärkt, um die nötige Intensität für unsere Experimente bereitzustellen. Hierzu dient ein Multipassverstärker, für den die Besetzungsinversion durch einen Nd:YLF-Pumplaser realisiert wird. Die Pulsverstärkung erfolgt durch Chirped Pulse Amplification um die optischen Komponenten nicht zu zerstören. Soll das Licht anschließend den räumlichen Lichtmodulator (SLM) zwecks Pulsformung passieren, muss seine Pulsenergie durch Graufilter auf 0,25 mJ reduziert werden, um die darin enthaltenen Flüssigkristalle nicht zu beschädigen. Weiterhin steht ein OPA (optical parametric amplifier) zur Verfügung, mit dem sich ausgehend von der Zentralwellenlänge des Oszillators (800nm) Pulse mit  einer Wellenlänge im Bereich von 200-1600nm generieren lassen.