Prä­zi­si­ons­mes­sung lie­fert neuen Rekord­wert

Einem Team um Roland Wester und Katrin Erath-Dulitz vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck ist es gelungen, eine fundamentale Eigenschaft des Kohlenstoff-Dimers C₂ mit bisher unerreichter Genauigkeit im Labor zu bestimmen. Da Kohlenstoff der Grundbaustein des Lebens und das beispielsweise in Kometenschweifen vorkommende C2-Molekül seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung ist, liefern die Ergebnisse nun einen hochwertigen Referenzwert für künftige theoretische Berechnungen der elektronischen Struktur in der Quantenchemie. Konkret ermittelten die Forschenden durch Messungen am negativ geladenen Molekül-Ion C₂^– die Elektronenaffinität. Diese beschreibt, wie stark ein Molekül ein zusätzliches Elektron bindet. Da über diesen molekularen Fingerabdruck, der grundlegende Einblicke in die elektronische Struktur und chemische Reaktivität verrät, bislang Uneinigkeit in der Forschung herrschte, schließt die neue Messung eine wichtige Wissenslücke.

Bestehenden Widerspruch aufgelöst

Das Innsbrucker Team nutzte für seine Forschung die Möglichkeit, Ionen mithilfe von Radiofrequenzfeldern im Raum festzuhalten. In einer solchen Ionenfalle kühlten sie die Teilchen durch Stöße mit Heliumgas auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Anschließend beschossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die eingefangenen Ionen mit Laserlicht, um herauszufinden, ab welcher Lichtenergie das äußerste Elektron aus dem Molekül herausgelöst wird. Dieser Schwellenwert liefert direkt die gesuchte Elektronenaffinität. „Für diese Spektroskopie-Messungen benötigen wir lediglich einen präzise kalibrierten Laser, was diese Methode zuverlässiger macht als andere, indirekte Messverfahren“, sagt Sruthi Purushu Melath.

Der so ermittelte neue Messwert beträgt 26364,2 ± 0,5 cm⁻¹ – eine Energie, ab der Licht typischerweise biologische Schäden wie Sonnenbrand verursacht. Mit einer Unsicherheit von nur einem halben Einheitswert ist diese Messung die bislang präziseste ihrer Art. Der neue Wert weicht deutlich von einer vielbeachteten Untersuchung aus dem Jahr 2019 ab, stimmt aber gut mit einer älteren Messung sowie quantenchemischen Berechnungen überein. Deshalb löst das Ergebnis der Arbeitsgruppe um Wester einen bestehenden Widerspruch zwischen Experiment und Theorie endgültig auf.

Wichtiger Referenzwert

„Unsere Arbeit zeigt, dass man mit Ionenfallen sehr schöne Präzisionsspektroskopie machen kann“, freut sich Roland Wester. „Die neuen Ergebnisse liefern einen hochwertigen Referenzwert für künftige Berechnungen der elektronischen Struktur von Kohlenstoffmolekülen.“ Darüber hinaus eröffnet die angewendete Messtechnik vielversprechende neue Möglichkeiten, da C₂^–-Ionen perspektivisch sogar mit Laserlicht gekühlt und so präzise kontrolliert werden könnten, dass in Zukunft noch exaktere Messungen realisierbar sind.

Quelle

Universität Innsbruck (06/2026)