Neue Veröffentlichungen
01.12.2020
Unsere Veröffentlichungen der letzten Monate umfassen eine Studie zu Koordinationszahlen in Gadolinium-dotierten Zinnclustern, bei der ungewöhnlich hohe Koordinationszahlen bis zu 19 beobachtet werden konnten. Daneben wurde eine Apparatur für magnetische Resonanzexperimente an Teilchen im Molekularstrahl beschrieben und an einem atomaren Europium-Strahl validiert. Zuletzt wurden quantendynamische Studien über die Born-Oppenheimer-Näherung hinaus an einem kleinen Heterozyklus durchgeführt, um in Zukunft auch vibrationsaufgelöste Absorptionsspektren von Clustern im Rahmen der vibronischen Kopplung deuten zu können.
Wie viele Kugeln einer bestimmten Größe lassen sich in der ersten Koordinationssphäre um eine zentrale Kugel anordnen? Dieses mathematische Problem erscheint zunächst trivial, jedoch konnte bis heute keine allgemein gültige Lösung gefunden werden. Für den Spezialfall, dass alle Kugeln gleich groß sind, ergibt sich die maximale Koordinationszahl 12 für eine dichteste Kugelpackung. Mit größeren Zentralkugeln lassen sich auch größere Koordinationszahlen realisieren.
Es ist bekannt, dass Zinncluster ab einer bestimmten Anzahl an Zinnatomen stabile Käfige bilden können, die ein Fremdatom in ihrer Mitte endohedral aufnehmen können. Insbesondere gilt dies für Spezies mit 12 Zinnatomen, sogenannte Stannaspherene. In dieser Studie wurden Strukturen und die elektrischen und magnetischen Eigenschaften Gadolinium-dotierter Zinncluster experimentell und mit quantenchemischen Methoden untersucht. Dabei wurden ungewöhnlich hohe Koordinationszahlen gefunden. Bis zu 19 Zinnatome können sich in der ersten Koordinationssphäre um ein endohedrales Gadoliniumatom anordnen (grün in der Abbildung). Wird die Anzahl an Zinnatomen weiter erhöht, so bildet sich eine zweite Schale aus. Ab 21 Zinnatomen ist dies direkt an den Clusterstrukturen ersichtlich (orange).
Das Level der anzuwendenden Theorie zur Simulation von Molekülspektren richtet sich nach der Komplexität des zugrundeliegenden Systems, aber auch nach den auflösbaren Freiheitsgraden in den experimentellen Spektren die als Vergleich dienen. Hinreichend große Metall- und Halbleitercluster weisen oft eine hohe Dichte an Zuständen auf, weshalb eine Auflösung der vibronischen Übergänge eine Spielwiese für moderne Methoden der Quantenchemie eröffnet.
In Kooperation mit der Gruppe von Prof. Dr. Graham Worth des University College London wurde die Multiconfigurational Time-Dependent Hartree (MCTDH) Methode genutzt, um quantendynamische Eigenschaften für den Heterozyklus Maleimid zu berechnen und vibrationsaufgelöste Absorptionsspektren zu simulieren. Dabei wurde ein die vibronische Kopplung beschreibender Hamiltonian konstruiert, der sowohl eine stark gekoppelte, breite wie eine schwach-gekoppelte, feinstrukturierte Absorptionsbande zu beschreiben vermag. Während bereits wenige entscheidenede Schwingungsmoden für eine quantitative Erfassung der spektralen Signatur genügen, konnte gezeigt werden, dass die Beiträge aller Schwingungsmoden essenziell für die dynamische Charakterisierung des Systems sind.
Vor fast 100 Jahren gelang es Otto Stern und Walther Gerlach die Richtungsquantelung des Drehimpulses durch Ablenkung eines Silberatomstrahl in einem inhomogenen Magnetfeld nachzuweisen. Die Schlussfolgerungen aus dieser experimentellen Beobachtung waren wegweisend für die moderne Physik. Die quantitive Bestimmung magnetischer Momente unterliegt jedoch einer Ungenauigkeit im Prozentbereich. Eine viel genauere Methode zur Bestimmung magnetischer Momente isolierter Teilchen in einem Molekularstrahl wurde einige Jahre später mit der magnetischen Resonanzmethode entwickelt, bei der es sich prinzipiell um ein Elektronenspinresonanzexperiment handelt.
Auch heute noch wird das nach seinen Erfindern benannte Stern-Gerlach Experiment zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Metallclustern eingesetzt. Resonanzexperimente konnten an schweren Metallclustern jedoch bisher nicht durchgeführt werden, da die zusätzlichen Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade – im Gegensatz zum Atom – Spinrelaxation begünstigen und damit die Messung erschweren bzw. unmöglich machen. Die Entdeckung superatomarer Cluster vor einigen Jahren eröffnet jedoch neue Möglichkeiten. Daher wird in dieser Veröffentlichung der apparative Aufbau für ein Resonanzexperiment beschrieben. Die Magnetfelder wurden mithilfe elektrostatischer Simulationen optimiert, sodass störende Magnetfeldschwankungen minimiert werden konnten. Außerdem wird die Herausforderung, Spinresonanz in gepulsten Molekularstrahlen zu messen, diskutiert. Die Apparatur wurde erfolgreich an einem Eu-Atomstrahl validiert. Die Abbildung zeigt (a) ein Intensitätsprofil des Molekularstrahls im Stern-Gerlach Experiment und (b) ein Elektronenspinresonanzspektrum für die beiden stabilen Isotope des Europiums.
