Neuer Rekord an BESSY II: Zehn Millionen Ionen in einer Ionen-Falle erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Die zweiatomaren Nickel-Ionen (grau) sind bei tiefen Temperaturen in einer RF-Ionenfalle gefangen, dabei dient kaltes Helium-Gas (blau) zur Wärmeabfuhr. Das magnetische Feld richtet die Ionen aus.

Die zweiatomaren Nickel-Ionen (grau) sind bei tiefen Temperaturen in einer RF-Ionenfalle gefangen, dabei dient kaltes Helium-Gas (blau) zur Wärmeabfuhr. Das magnetische Feld richtet die Ionen aus. © T. Lau/ HZB

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen elektrisch geladene Molekül-Ionen gefangen sind. Es gelang ihnen, mit einem Puffergas etwa zehn Millionen Ionen auf 7,4 Kelvin (ca. -265,8 Grad Celsius) abzukühlen. Das ist ein neuer Rekord. Zuvor war es nur möglich, etwa tausend Ionen mit Puffergas auf 7,5 Kelvin abzukühlen. Für spektroskopische Analysen reichen tausend Ionen jedoch bei weitem nicht aus. Mit der neuen Methode steht erstmals eine Ionenfalle für die Röntgenspektroskopie bei tiefen Temperaturen bereit, mit der man den Magnetismus und Grundzustände von Molekül-Ionen untersuchen kann. Dies liefert die Grundlagen, um neue Materialien für eine energieeffiziente Informationstechnologie zu entwickeln. Die Arbeit ist im Journal of Chemical Physics veröffentlicht.

„Bisher gingen alle davon aus, dass es nicht möglich sei, mit einer Quadrupol-Ionenfalle für so hohe Ionendichten noch tiefere Temperaturen zu erreichen. Aber es geht eben doch“, sagt HZB-Forscher Tobias Lau. Denn das elektromagnetische Wechselfeld fängt die gespeicherten Ionen nicht nur ein, sondern „schüttelt“ sie auch, so dass sie ständig Energie gewinnen und die Temperatur steigt. Um diese Energie wieder abzuführen, hat das Team Helium als Puffergas eingeführt, und zwar mit relativ hohem Druck. „Man muss sich dies als eine Art kalten Sirup vorstellen, der die Makro-Bewegungen der Teilchen dämpft und Rotation und Translation verlangsamt“, sagt Vicente Zamudio-Bayer von der Universität Freiburg.

Einzigartiger Versuchsaufbau

Die Experimente wurden an der UE52-PGM-Endstation an BESSY II durchgeführt, wo sich die Polarisation der weichen Röntgenstrahlung variabel einstellen lässt. Der Versuchsaufbau an dieser Beamline ist weltweit einzigartig, weil er die Untersuchung von Ionen bei tiefen Temperaturen mit Magnetfeldern und Röntgenspektroskopie ermöglicht. Dabei kann die Probe unter einem äußeren Magnetfeld mit zirkular polarisiertem Röntgenlicht analysiert werden (zirkularer magnetischer Röntgen-Dichroismus, engl. XMCD). Dies gibt Aufschluss über die magnetischen Momente der Elektronen, unterteilt in ihre Spin- und Bahnbeiträge. 

Magnetische Momente von Nickel2-Ionenermittelt

„Durch die besonders tiefen Temperaturen konnten wir erstmals die magnetischen Momente von Nickel-Dimer-Kationen experimentell ermitteln“, erklärt Lau. Die Arbeit an der Ionenfalle ist Teil eines größeren Projekts von HZB und Uni Freiburg, das durch das BMBF (BMBF-05K13Vf2) gefördert wird.

Ausblick: Noch tiefere Temperaturen

„Wir arbeiten nun daran, noch tiefere Temperaturen zu erreichen. Wir hoffen, dass wir bald bis auf 5 Kelvin kommen“, sagt Zamudio-Bayer. Denn je tiefer die Temperatur, desto deutlicher zeigen sich magnetische Effekte.

Auch die Nutzer profitieren

Alle Nutzer der Ionenfalle an der UE52-PGM-Endstation an BESSY II können aber jetzt schon von dem Rekord profitieren. „Hier lassen sich nicht nur der Magnetismus, sondern auch viele weitere Eigenschaften von ganz unterschiedlichen Molekülen spektroskopisch untersuchen, zum Beispiel auch von Übergangsmetall-Komplex-Ionen. Das wird also für viele Nutzergruppen, insbesondere aus der physikalischen Chemie, attraktiv sein“, meint Lau.

Zur Publikation:Electronic ground state of Ni2+, V. Zamudio-Bayer, R. Lindblad, C. Bülow, G. Leistner, A. Terasaki, B. v. Issendorff, and J. T. Lau, J. Chem. Phys. 145, 194302 (2016). DOI: 10.1063/1.4967821

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien
    Science Highlight
    08.05.2026
    BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien
    Feststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
  • Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen Doppelschichtsystemen
    Science Highlight
    29.04.2026
    Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen Doppelschichtsystemen
    Spintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
  • Umweltchemie an BESSY II: Radikale in Gewässern
    Science Highlight
    09.04.2026
    Umweltchemie an BESSY II: Radikale in Gewässern
    Wie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.