Superzware elementen zijn intrigerende nucleaire en atomaire kwantumsystemen die experimenteel onderzoek uitdagen omdat ze niet in de natuur voorkomen en, wanneer gesynthetiseerd, verdwijnen binnen enkele seconden. Om de voorhoede van atoomfysica-onderzoek naar deze elementen te duwen, zijn baanbrekende ontwikkelingen nodig in de richting van snelle atomaire spectroscopietechnieken met extreme gevoeligheid. Een gezamenlijke inspanning binnen het Horizon 2020 Research and Innovation-programma van de Europese Unie en geleid door Dr. Mustapha Laatiaoui van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) culmineerde in een voorstel voor optische spectroscopie:de zogenaamde Laser Resonance Chromatography (LRC) zou dergelijke onderzoeken zelfs mogelijk moeten maken bij minieme productiehoeveelheden. Het voorstel is onlangs gepubliceerd in twee artikelen in Fysieke beoordelingsbrieven en Fysieke beoordeling A .

Superzware elementen (SHE's) zijn te vinden aan de onderkant van het periodiek systeem der elementen. Ze vormen een vruchtbare voedingsbodem voor de ontwikkeling van begrip over hoe dergelijke exotische atomen kunnen bestaan ​​en werken wanneer een overweldigend aantal elektronen in atomaire schillen en protonen en neutronen in de kern samenkomen. Inzichten in hun elektronische structuur kunnen worden verkregen door optische spectroscopie-experimenten die elementspecifieke emissiespectra onthullen. Deze spectra zijn krachtige benchmarks voor moderne atoommodelberekeningen en kunnen nuttig zijn, bijvoorbeeld, als het gaat om het zoeken naar sporen van nog zwaardere elementen, die kunnen ontstaan ​​bij fusiegebeurtenissen van neutronensterren.

LRC-aanpak combineert verschillende methoden

Hoewel SHE's decennia geleden werden ontdekt, hun onderzoek door optische spectroscopiehulpmiddelen blijft ver achter bij de synthese. Dit komt omdat ze tegen extreem lage tarieven worden geproduceerd, waarbij traditionele methoden gewoon niet werken. Tot dusver, optische spectroscopie eindigt bij nobelium, element 102 in het periodiek systeem. "De huidige technieken zitten op de grens van wat haalbaar is, " legde Laatiaoui uit. Vanaf het volgende zwaardere element, de fysisch-chemische eigenschappen veranderen abrupt en belemmeren het leveren van monsters in geschikte atomaire toestanden."

Samen met onderzoekscollega's, de natuurkundige heeft daarom de nieuwe LRC-aanpak in optische spectroscopie ontwikkeld. Dit combineert elementselectiviteit en spectrale precisie van laserspectroscopie met ionenmobiliteitsmassaspectrometrie en combineert de voordelen van een hoge gevoeligheid met de 'eenvoud' van optische sonderen zoals bij laser-geïnduceerde fluorescentiespectroscopie. Het belangrijkste idee is om de producten van resonante optische excitaties te detecteren, niet zoals gewoonlijk op basis van fluorescerend licht, maar gebaseerd op hun karakteristieke drifttijd naar een deeltjesdetector.

In hun theoretische werk de onderzoekers concentreerden zich op enkelvoudig geladen lawrencium, element 103, en op zijn lichtere chemische homoloog. Maar het concept biedt ongeëvenaarde toegang tot laserspectroscopie van vele andere monoatomaire ionen in het periodiek systeem, in het bijzonder van de overgangsmetalen met inbegrip van de hittebestendige metalen en elementen buiten lawrencium. Andere ionische soorten zoals drievoudig geladen thorium zullen ook binnen het bereik van de LRC-benadering vallen. Bovendien, de methode maakt het mogelijk om de signaal-ruisverhoudingen te optimaliseren en zo de ionenmobiliteitsspectrometrie te vergemakkelijken, door de staat geselecteerde ionenchemie, en andere toepassingen.

Dr. Mustapha Laatiaoui kwam in februari 2018 naar de Johannes Gutenberg University Mainz en het Helmholtz Institute Mainz (HIM). hij ontving een ERC Consolidator Grant van de European Research Council (ERC), een van de meest waardevolle subsidies van de Europese Unie, voor zijn onderzoek naar de zwaarste elementen met behulp van laserspectroscopie en ionenmobiliteitsspectroscopie. De huidige publicaties omvatten ook werk dat Laatiaoui eerder had uitgevoerd bij GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt en aan de KU Leuven in België.