Kohlenstoff ist der Grundbaustein des Lebens. Seit Jahrzehnten ist das aus zwei Kohlenstoffatomen bestehende Dimer C2, welches beispielsweise im Schweif von Kometen beobachtet wird, Gegenstand der Forschung. Einem Team um Roland Wester und Katrin Erath-Dulitz vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, eine zentrale Eigenschaft des Moleküls – die sogenannte Elektronenaffinität – durch Messungen am negativ geladenen Molekül-Ion C2- so genau zu messen wie nie zuvor.
Die Elektronenaffinität beschreibt, wie stark ein Molekül ein zusätzliches Elektron an sich binden kann. Dieser Wert ist eine Art molekularer Fingerabdruck, der etwas Grundlegendes über die elektronische Struktur und chemische Reaktivität der Verbindung verrät, und ist auch eine wichtige Referenz für theoretische Berechnungen in der Quantenchemie. Trotz intensiver Forschung gab es bislang Uneinigkeit darüber, wie stark C2 ein Elektron bindet.
Bestehenden Widerspruch aufgelöst
Das Innsbrucker Team machte es sich zu Nutze, dass Ionen mit Hilfe von Radiofrequenzfeldern im Raum festgehalten werden können. In so einer Ionenfalle haben die Forscher die Ionen durch Stöße mit Heliumgas auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Die Wissenschaftler:innen beschossen die eingefangenen Ionen mit Laserlicht und fanden heraus, ab welcher Lichtenergie das äußerste Elektron aus dem Molekül herausgelöst wird. Dieser Schwellenwert – vergleichbar mit dem Moment, in dem eine Kugel gerade genug Schwung bekommt, um eine Kuppe zu überwinden – 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 Erstautorin Sruthi Purushu Melath aus dem Doktoratsprogramm Atome, Licht und Moleküle.
Der neue Messwert beträgt 26364,2 ±0,5 cm⁻¹, was einer Energie entspricht, ab der Licht beginnt, biologische Schäden wie Sonnenbrand oder das Ausbleichen von Farben zu verursachen. Die Unsicherheit von nur einem halben Einheitswert macht diese Messung zur bislang präzisesten ihrer Art. Der neue Wert weicht deutlich von einer vielbeachteten Messung aus dem Jahr 2019 ab, stimmt aber gut mit einer älteren Messung sowie mit quantenchemischen Berechnungen überein. Damit löst das Ergebnis von Westers Arbeitsgruppe einen bestehenden Widerspruch zwischen Experiment und Theorie letztlich auf.
Wichtiger Referenzwert
„Unsere Arbeit zeigt, dass man mit Ionenfallen sehr schöne Präzisionsspektroskopie machen kann“, freut sich Arbeitsgruppenleiter Roland Wester. „Die neuen Ergebnisse liefern einen hochwertigen Referenzwert für künftige Berechnungen der elektronischen Struktur von Kohlenstoffmolekülen.“ Darüber hinaus eröffnet die verwendete Messtechnik neue Möglichkeiten, denn perspektivisch könnten C2--Ionen sogar mit Laserlicht gekühlt und so präzise kontrolliert werden, dass sie in Zukunft noch genauere Messungen ermöglichen könnten.
Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und wurde vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) gefördert.
Publikation: Electron Affinity of the Carbon Dimer from Threshold Photodetachment Spectroscopy. Sruthi Purushu Melath, Michael Hauck, Christine Lochmann, Robert Wild, Timothy P. Softley, Katrin Dulitz, and Roland Wester. Phys. Rev. Lett. 2026 DOI: 10.1103/wvxs-6wz5