Zusammenfassung
In der vorliegenden Diplomarbeit wurden zwei Ziele verfolgt. Zun¨achst sollte ein Velocity-Map-Imaging-Spektrometer speziell f¨ur die winkelaufgel¨oste Photoelektronenspektrosko-pie an dotierten Helium-Nanotr¨opfchen konzipiert und aufgebaut werden. Anschließend wurde das neue Instrument verwendet, um erstmals winkelaufgel¨oste Spektroskopie an Rubidium-dotierten Helium-Nanotr¨opfchen, dem RbHeN-System, durchzuf¨uhren.
Zu Beginn der Arbeit wurden die Trajektorien der Elektronen f¨ur eine große Anzahl m¨ ogli-cher Geometrien des Spektrometers simuliert. Diese Simulationen erm¨oglichten einerseits eine Optimierung der Konstruktion, zeigten andererseits die Notwendigkeit einer sorgf¨ alti-gen Abschirmung ¨außerer und Vermeidung interner Magnetfelder. Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse konnte das Spektrometer entworfen und realisiert werden. Neben dem Aufbau des Spektrometers selbst umfasst die Arbeit zus¨atzlich die Entwicklung einer ge-eigneten Software f¨ur die Datenaufnahme und deren Echtzeit-Verarbeitung. Mit der Auf-nahme erster Spektren von Photoelektronen aus Rubidium wurde das erste Ziel erreicht.
Bei Ausnutzung des atomaren 62P3/2-Zustandes f¨ur einen REMPI-Ionisationsprozess kon-nten in den Spektren, wie durch ein Ratengleichungsmodell im theoretischen Teil dieser Arbeit vorhergesagt, keine Elektronen aus energetisch tiefer liegenden Zust¨anden nach-gewiesen werden. Seinen Ursprung hat dieses Resultat in der, verglichen mit der Dauer des Laserpulses, relativ langen Lebensdauer des besagten, angeregten Zustands von etwa 110 ns. Weiterhin ergab sich jene charakteristische Winkelverteilung, wie sie f¨ur Photoelek-tronen speziell aus diesem REMPI-Prozess zu erwarten ist. Messungen an den erzeugten Photoionen gaben den thermischen Charakter der verwendeten Atomquellen wieder. So-mit war die korrekte Funktion des Spektrometers und der Software sowohl bei Messungen an Elektronen als auch an Ionen sichergestellt.
Bei der anschließend erstmals durchgef¨uhrten winkelaufgel¨osten Spektroskopie des Sys-tems RbHeNkonnten zahlreiche interessante Ph¨anomene beobachtet werden. Die Messun-gen beleMessun-gen eine extrem blauverstimmte Anregung energetisch tief lieMessun-gender Zust¨ande des Systems, gefolgt von einer sehr schnellen Desorption der Rubidiumatome von den Tr¨ opf-chen. Auf diese Weise entsteht gasf¨ormiges Rubidium, in dem schon wenige Pikosekunden nach der Absorption eines Photons - und damit innerhalb der Zeitspanne des Laserpulses - energetisch tiefer liegende Zust¨ande besetzt sind. Anhand der beobachteten Energien
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104 6. Zusammenfassung und Ausblick und Winkelverteilungen der Photoelektronen konnten die nach diesem Prozess besetzten Zust¨ande des Rubidiums identifiziert werden. Daneben traten, wie in vielen vergleich-baren Photoionisations-Experimenten mit dotierten Helium-Nanotr¨opfchen zuvor, extrem langsame, offenbar durch die Anwesenheit der Tr¨opfchen abgebremste Elektronen auf.
Die Desorption der Rubidiumatome von den Tr¨opfchen konnte durch die Messung der Photoionen direkt sichtbar gemacht werden. Abh¨angig von der Wellenl¨ange ist deren stark anisotrope Geschwindigkeitsverteilung von einer nahezu isotropen Verteilung ¨uberlagert, die von einem wellenl¨angenabh¨angigen Anteil, von den Tr¨opfchen desorbierender und io-nisierter Rb∗Hen-Exziplexmolek¨ule gebildet wird.
S¨amtliche beobachteten Ph¨anomene lassen sich mit dem auf oberfl¨achengebundene Alka-liatome erweiterte Blasenmodell erkl¨aren. Bei dieser Beschreibung der Dynamik des als
”Pseudo-Dimer“ betrachteten RbHeN-Systems ist die zentrale Annahme die Bildung eines das Rubidium-Atom umgebenden Bereichs mit verschwindender Heliumdichte. Durch sei-nen Aufenthalt auf der Oberfl¨ache der Tr¨opfchen entsteht anders als in der allgemeinen, namensgebenden Variante des Modells keine Blase, sondern eine Mulde in der Heliumum-gebung. F¨ur dieses System k¨onnen, wie f¨ur ein konventionelles Dimer, ¨uber den Abstand der beiden Bindungspartner aufgetragene Potenzialkurven errechnet werden.
Die Anregung des Rubidiumatoms auf dem Tr¨opfchen f¨uhrt zu einer ¨Anderung der ¨ auße-ren Ladungsverteilung, was unter Aufwendung einer zus¨atzlichen Energiemenge eine ent-sprechende Dynamik des Tr¨opfchens, eine Vergr¨oßerung der Mulde nach sich zieht. Auf Grund dieser zus¨atzlich ben¨otigten Energie sind - hinreichende Laserintensit¨at vorausge-setzt - auch extrem blauverstimmte Anregungen m¨oglich. Die bei konventionellen Dime-ren g¨ultigen Regeln bez¨uglich parallelen und senkrechten ¨Uberg¨angen lassen sich auf das RbHeN-System ¨ubertragen, wodurch die beobachteten Richtungsverteilungen der desor-bierenden Atome erkl¨arbar sind.
Schließlich bietet das Blasenmodell auch eine m¨ogliche Erkl¨arung des Mechanismus, der einigen schnellen Elektronen nahezu ihre gesamte kinetische Energie entzieht. Auch f¨ur das Elektron lassen sich Blasenzust¨ande im Helium berechnen, in denen dieses effektiv Energie an das Tr¨opfchen abgeben kann. Nach diesem Prozess entkommt das abgebremste Elektron durch einen Tunnelprozess.
Ausblick
Zuk¨unftig wird das neue Spektrometer in einer bereits bestehenden Heliumtr¨ opfchen-Apparatur im Rahmen des Femtosekunden-Projekts zur zeitaufgel¨osten Messung moleku-larer Dynamik eingesetzt werden. Das derzeit verwendete Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) kann lediglich die Rate desorbierender Photoionen messen, ihre Energie oder Rich-tungsverteilung bleibt jedoch unbekannt. Auch sind die Experimente bislang auf die Un-tersuchung von Atomen und Molek¨ulen beschr¨ankt, die die Tr¨opfchen nach Anregung oder Ionisation verlassen, weswegen sich bisherige Messungen auf die Vibrationsdynamik von Alkaliatomen und -molek¨ulen konzentrieren.
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Abb. 6.1: Schema des existierenden Femtosekunden-Experiments. Im oberen Teil ist das Lasersystem und die Optik zur Erzeugung von Femtosekunden-Pulspaaren, im unteren Teil die Helium-Tr¨opfchenanlage dargestellt. Entnommen aus [MHH09].
Um in Zukunft auch etwa Erdalkalimetalle und Halogene untersuchen zu k¨onnen, bietet sich die winkel- und energieaufgel¨oste Messung der Photoelektronen mit dem im Rah-men dieser Arbeit entwickelten VMI-Spektrometer an. Dieses ist zus¨atzlich in der Lage nicht nur die Rate, sondern auch die Energie- und Winkelverteilung entstehender Ionen zu ermitteln. Um dem Spektrometer dar¨uber hinaus eine Massenaufl¨osung zu verleihen, wird derzeit eine integrierte Flugzeitmessung realisiert. Aus der Flugzeit der Ionen bis zum elektronisch detektierbaren Auftreffen auf dem MCP kann bei bekannter Ladung die Masse der Teilchen bestimmt werden. F¨ur jedes von der Software erkannte Ereignis l¨asst sich so die Masse des nachgewiesenen Teilchens protokollieren, womit die Signale sp¨ater voneinander getrennt werden k¨onnen. So ist beispielsweise eine Unterscheidung simultan beobachteter Alkaliionen und Exziplex-Molek¨ulen m¨oglich.
Die Untersuchung der Dynamik der an Helium-Nanotr¨opfchen gekoppelten Systeme ge-w¨ahrt einen tiefen Einblick in fundamentale quantendynamische Prozesse. Ziel der Mes-sungen ist etwa die Bestimmung der Rate f¨ur tr¨opfcheninduzierte Dekoh¨arenz und f¨ur den Transfer der Vibrationsenergie des Systems auf das Tr¨opfchen oder die Untersuchung des Einflusses der Molek¨uldynamik auf die suprafluiden Eigenschaften des Tr¨opfchens.
Das im Rahmen dieser Arbeit realisierte Velocity-Map-Imaging-Spektrometer wird bei den zuk¨unftigen, zeitaufgel¨osten Experimenten mit Femtosekundenpulsen an dotierten Helium-Nanotr¨opfchen ein ¨uberaus flexibles Instrument darstellen, mit dem winkel- und energieaufgel¨ost sowohl Elektronen als auch - zus¨atzlich massenaufgel¨ost - Ionen beobach-tet werden k¨onnen.
106 6. Zusammenfassung und Ausblick
A Anhang
A.1 Ver¨ offentlichungen
Folgendes wurde/wird im Rahmen der Diplomarbeit ver¨offentlicht:
Fr¨uhjahrstagung 2010 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Poster:
”Time-of-flight and velocity-map-imaging detectors for femtosecond pump-probe experiments in helium nanodroplets“(MO 10.2) - Lutz Fechner, Marcel Mudrich und Frank Stienkemeier
Fr¨uhjahrstagung 2011 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Vortrag:
”Velocity-Map-Imaging spectroscopy of alkali metals embedded inside Helium nanodroplets“(A 19.4) - Lutz Fechner, Marcel Mudrich und Frank Stienkemeier
Ver¨offentlichung in einer Fachzeitschrift
Eine Ver¨offentlichung der Ergebnisse aus Kapitel 5 in einer Fachzeitschrift ist in Vorbe-reitung. Voraussichtlicher Titel:
”Imaging photo-electron and photo-ion spectroscopy of rubidium atoms attached to helium nanodroplets“
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108 A. Anhang