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Speicherung und Untersuchung extrem kalter Clusterionen und Nanoaggregate

Mit einer neuen Forschungsinitiative fördert die Max-Planck-Gesellschaft die Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg mit dem Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald. Ziel ist die Speicherung und Untersuchung extrem kalter Clusterionen und Nanoaggregate im Heidelberger kryogenen Speicherring CSR. Diese Anlage wird weltweit einmalige Untersuchungen ermöglichen.

Die geplanten Forschungsaktivitäten werden in enger Kooperation zwischen Professor Klaus Blaum vom MPI für Kernphysik (Heidelberg) und Professor Lutz Schweikhard von der Ernst-Moritz-Arndt-Universität (Greifswald) mit zwei neuen Teilgruppen an ihren jeweiligen Forschungsstandorten vorbereitet. Der CSR (Cryogenic Storage Ring), der Untersuchungen bei extrem niedrigen Temperaturen ermöglichen wird, ist zurzeit noch am MPI für Kernphysik im Aufbau. Bis zu seiner Fertigstellung werden Vorexperimente an der CTF (Cryogenic Trap for Fast Ion Beams) durchgeführt, einer zurzeit in Heidelberg zur Entwicklung der benötigten neuen Tieftemperaturtechniken betriebenen linearen Ionenstrahlfalle.

Eine ähnliche Ionenstrahlfalle wurde in Greifswald für die Untersuchung kurzlebiger Radionuklide aufgebaut und kürzlich am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf installiert. Dort sind sowohl Professor Schweikhard als auch Professor Blaum mit ihren Arbeitsgruppen maßgeblich an Präzisionsmassenbestimmungen kurzlebiger Atomkerne mittels spezieller Ionenfallentechniken beteiligt. Mit dem neuen Projekt wird die fruchtbare Zusammenarbeit der beiden Wissenschaftler auf die Forschung an Clustern ausgedehnt. In Greifswald kann auf diesem Gebiet auf eine langjährige Erfahrung zurückgegriffen werden.

Experimente in Speicherringen und Ionenfallen erlauben umfangreiche Vorbehandlungen der Cluster. Diese Präparationen betreffen sowohl die Auswahl der Clustergröße (Anzahl der Atome pro Cluster) als auch ihre „inneren Zustände“. Hierbei ist vor allem die Möglichkeit der kryogenen Ionenspeicherung von Bedeutung, das heißt die Aufbewahrung bei extrem niedrigen Temperaturen, wie sie die Heidelberger Experimentiereinrichtungen zur Verfügung stellen. In Verbindung mit langen Speicherzeiten bei extrem gutem Vakuum wird die Untersuchung selbst äußerst seltener und langsamer Prozesse ermöglicht. Neben Laserexperimenten sind Studien zur Wechselwirkung von Clustern mit hochgeladenen Ionen geplant. Dazu steht am Max-Planck-Institut für Kernphysik eine EBIT (Electron Beam Ion Trap) der Arbeitsgruppe Professor Ullrich zur Verfügung. Am Institut für Physik der Universität Greifswald erfolgt derzeit der Wiederaufbau einer ähnlichen Anlage, die im Rahmen einer wissenschaftlichen Kooperation der Universität vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik für die gemeinsame Forschung auf dem Gebiet der Atomphysik zur Verfügung gestellt wurde. Die in Greifswald und Heidelberg vorangetriebenen Entwicklungen und Messungen bereiten die geplanten Clusterexperimente am CSR vor.

Clustern wird allgemein ein hohes Anwendungspotenzial zugesprochen. Auf dem Weg zum praktischen Einsatz, zum Beispiel in Form von neuartigen katalytischen oder medizintechnischen Materialien, sind allerdings zunächst noch einige Hürden zu überwinden. Bei den hier geplanten Untersuchungen werden daher zunächst eher Fragen der fundamentalen Clustereigenschaften im Vordergrund stehen, die der Grundlagenforschung zuzuordnen sind. (Uni Greifswald)