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Photo-induced processes of endohedral fullerene ions: Experiment

Subject Area Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2013 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 245652604
 
Final Report Year 2020

Final Report Abstract

Mit vergleichsweise großem experimentellem und zeitlichem Aufwand wurden Photoprozesse endohedraler Fullerene untersucht. Neben Xe@C60, das mit eigenen Mitteln synthetisiert werden konnte, kamen kommerzielle Proben von Sc3 N@C80 und Lu3 N@C80 zum Einsatz. Die endohedralen Fullerene wurden durch Verdampfen in einer Ionenquelle ionisiert und mit 4 bis 6 kV beschleunigt. Die so erzeugten Ionenstrahlen wurden massenspektrometrisch aufgespalten, so dass reine Targets endohedraler Fullerene mit definierter Ladung in Form von Teilchenstrahlen für Experimente präpariert werden konnten. In allen Fällen waren die erzielbaren Ionenströme eher gering. Die maximalen Ionendichten lagen im Bereich 104 pro cm3 entsprechend einem Gasdruck unter Normalbedingungen von weniger als 5×10^−13 mbar. Die niedrigsten Ionendichten, bei denen Messungen durchgeführt wurden, lagen sogar bei weniger als 10 Fullerenionen pro cm3. Die niedrigen Dichten der reinen Fullerentargetstrahlen wurden durch eine große Wechselwirkungslänge (30-120 cm) mit den Photonenstrahlen in den verwendeten "merged-beams" Anordnungen teilweise kompensiert. Wegen der mit endohedralen Fullerenen verbundenen experimentellen Schwierigkeiten gibt es nur sehr wenige Messungen zur Photoionisation und Fragmentation dieser Spezies. Dementsprechend hatte das gegenwärtige Projekt einen exploratorischen Charakter mit dem Ziel, gleichsam Schneisen in ein unbekanntes Terrain zu eröffnen. Die gegenwärtigen Experimente mit Ionenstrahlen bieten den Vorteil chemisch reiner Targets endohedraler Fullerene für Wechselwirkungen mit Photonen sowie die prinzipielle Möglichkeit, absolute Wirkungsquerschnitte für einzelne Produktkanäle mit Ablösung von Elektronen und Abspaltung von Kohlenstoffatomen sowie deren Kombinationen zu messen. In den meisten der untersuchten Reaktionen endohedraler Fullerene, die durch die Zahl der abgelösten Elektronen und die Zahl der abgespaltenen Kohlenstoffatome charkterisiert waren, konnten eindeutige Signaturen der im Fullerenkäfig eingeschlossenen Atome nachgewiesen und quantifiziert werden. Dementsprechend ließen sich wechselseitige Einflüsse des Kohlenstoffkäfigs und der eingeschlossenen Atome untersuchen. Die wesentlichsten Ergebnisse der in diesem Abschlussbericht dargestellten Studien seien hier genannt. (1) Erstmalig gelang der eindeutige Nachweis sogenannter Confinement-Resonanzen, die dadurch entstehen, dass Photoelektronen aus einem im Zentrum eines Fullerenkäfigs lokalisierten Atoms, sowohl direkt als auch nach einigen Reflexionen am Käfig ins Freie gelangen können. Die quantenmechanischen Amplituden der Elektronenwellen interferieren miteinander und führen je nach Wellenlänge zu Maxima und Minima im beobachteten Wirkungsquerschnitt. (2) Aus den durchgeführten Messungen konnte auf die Geometrie und speziell auf den Radius der Fullerenmoleküle zurück geschlossen werden. (3) Die Messungen und dazu angestellte theoretische Berechnungen zeigen, dass die chemische Valenz eingeschlossener Atome nicht vom Ladungszustand des Gesamtmoleküls abhängt: die Gesamtladung wird im Gleichgewichtszustand ausschließlich durch die Zahl der vom Kohlenstoffkäfig gebundenen Elektronen bestimmt. (4) Die Absorption eines energiereichen Photons durch ein schweres in einem Fullerenkäfig eingeschlossenes Atom kann in der Folge zu einer vollständigen Disintegration des Käfigs führen. Eine solche Schädigung der unmittelbaren Umgebung wäre wünschenswert und möglich, wenn z.B. Goldatome, eingekapselt in einer Fullerenschale, in Krebsgewebe angereichert und dann mit Röntgenphotonen bestrahlt würden. (5) Erstmalig bieten die durchgeführten Experimente eine Grundlage für kritische Tests der außerordentlich zahlreich existierenden theoretischen Berechnungen zu photonischen Wechselwirkungen endohedraler Fullerene und speziell von Xe@C60.

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