Eine schnelle Kühlung der Rotation von Molekülionen durch Wechselwirkung mit Elektronen ist jetzt erstmals im Schwerionen-Speicherring TSR beobachtet worden. Diese Art von Laborastrophysik hilft nach Angaben der Wissenschaftler, die physikalischen und chemischen Eigenschaften kalter interstellarer Materie besser zu verstehen.
Die Wechselwirkung von Molekülionen mit freien Elektronen ist für das Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften kalter astrophysikalischer Umgebungen wie beispielsweise interstellaren Molekülwolken sehr wichtig.
Rotation und Vibration
Während Elektron-Ion-Rekombination in den beiden letzten Jahrzehnten in Speicherring- und Fallenexperimenten sehr detailliert untersucht wurde, ist das Wissen über den Energieaustausch zwischen langsamen Elektronen und der inneren Bewegung – Rotation und Vibration – von Molekülionen recht begrenzt.
Schnelle Elektronen-Kühlung
Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK), des Weizmann Institute of Science in Israel und drei weiterer Institutionen haben nun gemeinsam erste quantitative Resultate für schnelle Elektronen-Kühlung der Rotation von einfach geladenen HD-Molekülionen vorgestellt.
Im Schwerionen-Speicherring TSR des MPIK wurde ein HD-Molekülionenstrahl mit kalten Elektronen einer Temperatur von 33 K (-240°C), das heißt 33 Grad über dem absoluten Nullpunkt, überlagert. Durch die Wechselwirkung mit den Elektronen reduzierte sich die Rotationstemperatur der Ionen innerhalb von nur acht Sekunden von anfänglichen 1.200°C auf -150°C und stabilisierte sich auf diesem niedrigen Wert unter gleichzeitiger Einwirkung der Wärmestrahlung bei 300 K Umgebungstemperatur.
Ionen im Kältebad
Dabei laufen die Ionen nach Angaben der Forscher pro Sekunde etwa 175.000mal durch das Kältebad der Elektronen. Die Kühlung durch so genannte superelastische Kollisionen, wobei sich ein Anteil der Energie aus der Rotationsbewegung des Ions auf die lineare Bewegung des Elektrons überträgt, wird durch theoretische Rechnungen, motiviert durch das aktuelle Experiment, sehr gut beschrieben, so die Wissenschaftler.
(idw – Max-Planck-Institut für Kernphysik, 30.06.2009 – DLO)
