Een internationaal team uit Zweden, Japan, en Duitsland heeft een nieuw temperatuurrecord gevestigd voor wat bekend staat als vierpolige ionenvallen die elektrisch geladen moleculaire ionen opvangen. Ze slaagden erin om met een buffergas zo'n tien miljoen ionen af ​​te koelen tot 7,4 K (ongeveer -265,8 graden Celsius). Dat is een nieuw record.

Voorheen was het alleen mogelijk om met buffergas zo'n duizend ionen af ​​te koelen tot 7,5 K. Echter, duizend ionen zijn lang niet genoeg voor spectroscopische analyses. De ionenval met deze nieuwe methode biedt een nieuwe mogelijkheid om cryogene röntgenspectroscopie te gebruiken om het magnetisme en de grondtoestanden van moleculaire ionen te bestuderen. Dit is de basis die nodig is om nieuwe materialen voor energie-efficiënte informatietechnologieën te ontwikkelen. Het werk is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"Tot nu, iedereen ging ervan uit dat het niet mogelijk zou zijn om lagere temperaturen te bereiken bij zo'n hoge ionendichtheid met een vierpolige ionenval. Maar het kan wel", zegt HZB-onderzoeker Tobias Lau. Dit komt omdat het RF-elektromagnetische veld niet alleen de opgeslagen ionen opsluit, maar "schudt" ze ook, zodat ze constant energie krijgen en in temperatuur stijgen. Om deze extra energie te onttrekken, het team introduceerde helium als buffergas, en bij relatief hoge druk. "Je moet je dit voorstellen als een soort koude siroop die de macrobeweging van de deeltjes dempt, hun rotatie en translatie vertragen", legt Vicente Zamudio-Bayer van de Universiteit van Freiburg uit.

Unieke experimentele opstelling

De experimenten zijn uitgevoerd met behulp van het UE52-PGM-station op BESSY II, waar de polarisatie van de zachte röntgenstraling kan worden gevarieerd. De experimentele opstelling bij deze bundellijn is uniek in het faciliteren van röntgenspectroscopie van cryogene ionen onder extern aangelegde magnetische velden. Het monster kan worden geanalyseerd in een extern aangelegd magnetisch veld met behulp van circulair gepolariseerde röntgenstralen (röntgenmagnetisch circulair dichroïsme/XMCD). Dit levert informatie op over de magnetische momenten van de elektronen, onderverdeeld in zowel spin- als orbitale bijdragen.

Magnetische momenten van N2-kationen

"We waren voor het eerst in staat om de magnetische momenten van nikkeldimercaties experimenteel te bepalen dankzij de bijzonder lage temperaturen", Lau vervolgde. De werkzaamheden aan de ionenval zijn onderdeel van een groter project van HZB en de Univ. van Freiburg wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (Grant No. BMBF-05K13Vf2).

Vooruitzichten:lagere temperaturen

"We werken nu aan het bereiken van nog lagere temperaturen. We hopen dat we snel de 5 K halen", biedt Zamudio-Bayer aan. Hoe lager de temperatuur, hoe duidelijker de magnetische effecten zichtbaar worden.

Voordeel voor gebruikers

Maar alle gebruikers van de ionenval bij het BESSY II UE52-PGM-station kunnen nu al profiteren van het bereikte record. "Niet alleen magnetisme, maar ook veel andere eigenschappen van een breed scala aan verschillende moleculen kunnen hier spectroscopisch worden bestudeerd, zoals overgangsmetaalioncomplexen. Dat zal dus voor veel gebruikers aantrekkelijk zijn, vooral die in de fysische chemie", denkt Lau.