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Neue spektroskopische Methode entwickelt Mit Lasern superschwere Atome analysieren

Autor / Redakteur: Kathrin Voigt* / Christian Lüttmann

Schwer und schwer zu fassen: Die Elemente mit Ordnungszahlen größer 94 sind nur künstlich herzustellen und kurzlebig. Daher ist es schwierig, ihre Eigenschaften zu untersuchen. Forscher der Johannes-Gutenberg-Universität und des Helmholtz-Instituts Mainz haben nun eine neue Technik vorgestellt, mit der die spektroskopische Untersuchung besser möglich sein soll. Dies könnte auch bei der Suche nach neuen superschweren Elementen helfen, die vielleicht sogar stabil sind.

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Die Laserresonanzchromatographie wird zuerst bei Lawrencium, Element 103, angewendet.
Die Laserresonanzchromatographie wird zuerst bei Lawrencium, Element 103, angewendet.
(Bild: Mustapha Laatiaoui)

Mainz – In der Natur kommen 94 chemische Elemente vor. Weitere 24 wurden künstlich im Labor erzeugt. Doch diese künstlichen, superschweren Elemente sind extrem instabil und zerfallen innerhalb von Sekunden. Daher sind ihre Eigenschaften nur schwer zu untersuchen.

Die Analyse dieser superschweren Elemente – abgekürzt SHE für Superheavy Elements – ist aber eine wichtige Grundlage, um noch weitere Elemente zu entdecken, die beispielsweise bei Neutronen-Sternfusionen entstehen können. Jenseits des bisher schwersten Elements Oganesson vermuten Wissenschaftler nämlich eine „Insel der Stabilität“, wo es noch schwerere Elemente geben könnte, die wieder langlebiger sind.

Um den Weg zu dieser Insel auszuloten und die Eigenschaften der SHEs besser zu verstehen, haben Forscher an der Johannes-Gutenberg-Universität (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) nun eine neue Methode der optischen Spektroskopie entwickelt: Die als Laserresonanzchromatographie (LRC) bezeichnete Technik soll Atomspektroskopie auch bei kleinsten Produktionsmengen ermöglichen.

Kombination verschiedener 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 Dr. Mustapha Laatiaoui von der JGU. „Ab dem nächst schwereren Element ändern sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften schlagartig und erschweren die Bereitstellung von Proben in geeigneten atomaren Zuständen.“

Laserresonanzchromatographie basiert auf optischer Anregung von Ionen und anschließender Detektion ihrer Ankunftszeit am Detektor.
Laserresonanzchromatographie basiert auf optischer Anregung von Ionen und anschließender Detektion ihrer Ankunftszeit am Detektor.
(Bild: Mustapha Laatiaoui)

Der Physiker hat zusammen mit einem Team 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.

Superschweren Elementen auf der Spur

Die Kernidee der neuen Spektroskopiemethode besteht darin, erzeugte Teilchen anhand ihrer charakteristischen Driftzeit zu einem Teilchendetektor zu detektieren, statt wie üblich anhand von Fluoreszenzlicht. In ihrer theoretischen Arbeit konzentrierten sich die Autoren auf einfach geladenes Lawrencium (Element 103) und auf sein leichteres chemisches Homolog Lutetium (Element 71).

Das erarbeitete Konzept biete aber den Forschern zufolge einen Zugang zur Laserspektroskopie vieler anderer monoatomarer Ionen des Periodensystems, insbesondere der Übergangsmetalle einschließlich der hochtemperaturbeständigen Refraktärmetalle wie Titan, Vanadium oder Chrom und der schwereren Elemente jenseits des Lawrenciums. Andere Ionenspezies wie das dreifach geladene Thorium sollen ebenfalls in Reichweite der LRC-Methode liegen. Darüber hinaus lässt sich mit der Methode das Signal-Rausch-Verhältnis optimieren, was die Ionenmobilitätsspektrometrie, die zustandsselektive Ionenchemie sowie andere Anwendungen erleichtert. So könnte die Entdeckung und Analyse von neuen superschweren Elementen vorangetrieben werden.

Originalpublikation: 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

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

* K. Voigt, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 55122 Mainz

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