Span­nen­der als die EM: Mehr­fach ioni­sierte Fuß­bälle

C₆₀, dessen Entdeckung 1996 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde, ist ein Molekül, bei dem 60 Kohlenstoffatome wie auf einem Fußball angeordnet sind. Diese Struktur macht das Molekül so stabil, dass es sogar den harschen Bedingungen im Weltall standhält. Die Forscher am Institut für Ionenphysik untersuchten C₆₀-Dimere – Moleküle aus zwei Fullereneinheiten – und entdeckten, dass diese nicht nur eine, sondern auch zwei und sogar drei Ladungen tragen können und dabei über lange Zeit stabil bleiben.

Erreicht haben die Forscher:innen am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik dies durch eine besondere experimentelle Technik, die eine präzise Abfolge von Ionisierung und Clusterbildung in der Umgebung kalter Helium-Nanotröpfchen erlaubt. In ihrem Versuchsaufbau produzieren die Wissenschaftler:innen zunächst superfluide Helium-Nanotröpfchen, indem sie verdichtetes Heliumgas durch eine mikrometerkleine Düse in ein Vakuum expandieren lassen. Dabei kühlt das Helium ab und Millionen von Heliumatome verbinden sich zu winzigen Tröpfchen mit einer Temperatur von 0,37 K, also etwa -273° C. Diese Tröpfchen werden dann durch Stöße mit schnellen Elektronen ionisiert.

Innerhalb dieser geladenen Tröpfchen verbinden sich die C₆₀-Moleküle zu größeren Teilchen, unter anderem C₆₀-Dimeren, und können eine elektrische Ladung mit den Heliumtröpfchen austauschen. „Wir wollten sehen, ob die Dimere einer höheren Ladung standhalten. Dafür benötigten wir eine zweite Ionisationsquelle“, erklärt die PhD-Studentin und Erstautorin Lisa Ganner. Deshalb wurden die Tröpfchen nochmals mit Elektronen beschossen, was zu einer weiteren Anregung und Ionisation der eingebetteten Teilchen führte. So konnten die Physiker:innen erstmals stabile doppelt und dreifach geladene C₆₀-Dimere messen.

„Die kontrollierte Abfolge von Ionisation und Clusterbildung in der Umgebung kalter Helium-Nanotröpfchen ermöglichen erst das Stabilisieren dieser hochgeladenen Ionen“, erläutert der theoretische Physiker Milan Ončák. Aufgrund der extrem niedrigen Temperatur und der hohen Wärmeleitfähigkeit in den Tröpfchen wird überschüssige Energie sofort abtransportiert, sodass die geladenen C₆₀-Dimere stabil bleiben.

„Die Ergebnisse eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten, um zu untersuchen, wie der Ionisierungszustand die Bildung und Polymerisation von Molekülen sowie deren Stabilität und Eigenschaften beeinflusst“, so Elisabeth Gruber. „In allen bisherigen Experimenten sind mehrfachgeladene Fullerendimere immer in zwei geladene Einheiten zerfallen. Ein sequentieller Ionisierungsprozess kann auch im Weltall stattfinden wodurch mehrfachgeladene Fullerenkomplexe in interstellaren Wolken vorkommen sollten.“

Die Forschung wurde durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziert und die Ergebnisse kürzlich im Fachjournal Physical Review Letters publiziert.

Publikation: Formation of Doubly and Triply Charged Fullerene Dimers in Superfluid Helium Nanodroplets by Lisa Ganner, Stefan Bergmeister, Lucas Lorenz, Milan Ončák, Paul Scheier, Elisabeth Gruber, Phys. Rev. Lett. 133, 023001 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.023001