Helium-Nanotröpfchen sind ultrakalte Cluster bestehend aus Heliumatomen, welche den im Weltraum herrschenden Bedingungen für Atome und Moleküle sehr nahekommen. Damit können unter Anderem spektroskopische Untersuchungen von Teilchen, wie sie im interstellaren Medium vorkommen, direkt im Labor umgesetzt werden. Bisher war die Reaktions- und Beobachtungszeit allerdings extrem kurz - Untersuchungen waren im Allgemeinen auf die Flugstrecke zwischen der Tröpfchenquelle und einem Detektor begrenzt, die in wenigen Millisekunden durchlaufen wird.
„Die lange Speicherdauer ermöglicht nun detaillierte Untersuchungen von Prozessen im Inneren der Tröpfchen“, erklärt Matthias Veternik, PhD-Student und Erstautor der Studie. „Erste Analysen zeigen, dass Stöße mit dem Restgas in der Vakuumkammer sowie Infrarot-absorbierende Moleküle und Cluster im Helium – etwa Wassermoleküle – die Lebensdauer der Tröpfchen begrenzen. Dieses Verständnis ist entscheidend, um die Fallentechnik weiter zu optimieren.“ Die Untersuchungen wurden unterstützt von Prof. Lutz Schweikhard von der Universität Greifswald, der mit seiner langjährigen Erfahrung im Bau und Anwendung von Ionenfallen eine maßgebliche Rolle bei der Entwicklung des neuen Geräts spielte.
Mit dem neuen Aufbau lassen sich künftig chemische Reaktionen und spektroskopische Eigenschaften von Molekülen in ultrakalten Heliumtröpfchen deutlich präziser und über längere Zeiträume hinweg untersuchen. Bereits geplant ist der nächste Entwicklungsschritt: „Durch das Einbauen von Detektionszylindern in die Ionenfalle können wir die durchlaufenden, hochgeladenen Heliumtröpfchen anhand eines induzierten Signals vermessen und so sowohl das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis als auch die Ladung jedes einzelnen Helium-Nanotröpfchens bestimmen“, erklärt Elisabeth Gruber, die kürzlich mit einem FWF-ASTRA-Award ausgezeichnet wurde, um diese Technik weiterzuentwickeln. „Damit wollen wir erstmals Einblicke in die zeitliche Entwicklung geladener Heliumtröpfchen gewinnen und eine neue Form der Nanokalorimetrie entwickeln.“
Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und unterstreichen das große Potenzial von Helium-Nanotröpfchen als ultrakalte Laborumgebung für zukünftige Forschungsarbeiten.
Publikation: Extending the Observation Time of Charged Helium Droplets to the Minute Timescale. Veternik, M., Waldhütter, T., Schweikhard, L., Scheier, P., & Gruber, E. Physical Review Letters, 136, 013201. 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/yr98-h791