Mikrowellen - Infrarot Doppelresonanz Spektrometer

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450096019

Die Anwendung der Doppelresonanzspektroskopie (DRS) wird für unsere hochauflösenden Spektroskopie Experimente einen wichtigen technologischen Vorsprung bedeuten. In der hier vorgestellten Konfiguration möchten wir die Rotationsspektroskopie im Mikrowellen/THz Bereich mit der Rotations-Schwingungsspektroskopie im Infrarotwellenlängenbereich verknüpfen. Die grundlegende Idee besteht darin Moleküle in der Gasphase mit einer Strahlungsquelle anzuregen und damit ein sehr empflindliches molekülspezifisches Signal zu erzeugen. Die zweite Strahlungsquelle erzeugt dann ein Differenzsignal, das nur entsteht, wenn beide Photonen einen gemeinsamen Zustand adressieren. Ein Teil des DRS Instruments besteht aus einem Chirped Pulse Fourier Transform Spectrometer (CPFTS) mit einem minimalen Frequenzbereich von 2.5 - 18 GHz. Dieser Aufbau erlaubt die Anregung der fundamentalen Rotationen der meisten Moleküle über einen sehr weiten Frequenzbereich in einem einzigen Anregungspuls. Die Elektronik zur Erzeugung des Chirp Signals und dem Nachweis des freien Zerfallsignals ist in unserem Labor bereits vorhanden aber die Leistungsverstärker und die intensiven Molekularstrahlen für die notwendige Empfindlichkeit fehlen und sollen daher erworben werden. In vielen Experimenten dient das CPFTS Signal als empfindliches Detektorsignal. Als zweiter Teil soll die Strahlung eines schmalbandigen aber spektral weit abstimmbaren Quantenkaskadenlasers (IR-QCL) verwendet werden, ein Rotations-Schwingungsniveau eines Moleküls, eines spezifischen Isomers oder Konformeren und/oder eines spezifischen Schwingungszustands dieser Spezies anzusprechen. So wird es möglich die komplexen Spektren molekularer Gemische, verschiedener Isomere, Konformere oder Schwingungszustände zu trennen. Damit wird DRS ein wichtiges experimentelles Instrument zur Analyse sehr reichhaltiger Spektren von komplexen organischen Molekülen und ebnet so den Weg, diese Spezies auch in astrophysikalischen Beobachtungen zu entdecken. In unseren sehr weit entwickelten "action spectroscopy" Experimenten in Ionenfallen vertauschen die Mikrowellen/THz und Infrarot Strahlungsquellen ihre Rolle. Der IR-QCL dient dazu, ein praktisch untergrundfreies Ionensignal zu erzeugen, bspw. indem eine chemische Reaktion durch Schwingungsanregung stimuliert wird. Mit dem Mikrowellen/THz Photon wird dann die Rotationsbesetzung der gespeicherten Ionen geändert und so über das DRS Signal die Rotationsspektroskopie von Molekülen ermöglicht, die mit anderen Mitteln nur schwer oder gar nicht zugänglich ist. Ein solches DRS Instrument ist kommerziell nicht erhältlich kann aber aus den hier beantragten Komponenten aufgebaut werden. Ein solcher Aufbau stellt für unsere Forschung ein Alleinstellungsmerkmal dar.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Mikrowellen - Infrarot Doppelresonanz Spektrometer
• Gerätegruppe: 1820 Nah-Infrarot-Spektralphotometer
• Antragstellende Institution: Universität zu Köln
• Leiter: Professor Dr. Stephan Schlemmer