Aktuelles & Termine


7. Dezember 2018

Erste Ionisationspotentiale von Fm, Md, No, und Lr:
Auffüllen der 5f Elektronenschale und Bestätigung des Abschlusses der Actinidenserie

In einem aktuellen Artikel in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society (JACS), berichten wir über das erste Ionisationspotential der schweren Actinidenelemente Fermium (Fm, Ordnungszahl Z = 100), Mendelevium (Md, Z = 101), Nobelium (No, Z = 102) und Lawrencium (Lr, Z = 103).

Periodic Table

Aktuelles Periodensystem. Die Positionen der untersuchten Elemente am Ende der Actinidenserie ist hervorgehoben.
© B. Schausten, GSI
    JAEA_surface

Die Oberflächenionenquelle bei JAEA Tokai, Japan: graues Tantal-Röhrchen in der Bildmitte, umwickelt von zwei Heizfilamenten.
© JAEA

Das erste Ionisationspotential (IP1) gibt an, wieviel Energie aufgewendet werden muss, um das am schwächsten gebundene Elektron von einem neutralen Atom zu entfernen und ist damit eine sehr fundamentale Eigenschaft jedes chemischen Elements. Die IP1-Werte wurden an einem Online-Massenseparator in Einzelatomexperimenten mit einer Technik ermittelt, die auf der Oberflächenionisation in einem Tantal-Ionisator beruht. Die Effizienz der Oberflächenionisation hängt direkt vom IP1 ab. Die gemessenen IP1-Werte stimmen gut mit Werten überein, die ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit mit fortschrittlichen relativistischen theoretischen Modellen berechnet wurden. Der für Nobelium gemessene Wert ist auch im Einklang mit Laserspektroskopischen Messungen an der GSI die in der Gruppe von Prof. Michael Block durchgeführt wurde.
In Analogie zum wohlbekannten Verhalten der schweren Lanthanide, nehmen auch bei den Actiniden die IP1 -Werte mit zunehmendem Auffüllen des 5f Orbitals bis zum Nobelium zu, während das Lawrencium den geringsten Wert aller Actinide aufweist. Diese Resultate zeigen deutlich, dass das 5f-Orbital im Nobelium mit der Elektronenkonfiguration [Rn]5f147s2 vollständig gefüllt ist, und dass Lawrencium ein schwach gebundenes Elektron ausserhalb der Nobeliumkonfiguration hat. Entsprechend den Verhältnissen in der Lanthanidenserie zeigen die aktuellen Ergebnisse, dass die Actinidenserie beim Lawrencium endet.
Die Experimente wurden von unseren Kollaborationspartnern am JAEA Tokai in Japan , geleitet und am JAEA Tandembeschleuniger durchgeführt, in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern mit Mitgliedern unserer Gruppe.


19. April 2018

Entwicklung hochpräziser Kernuhr rückt näher

Schwingungen im Atomkern von Thorium-229 sollen als Taktgeber für künftige Atomkernuhr dienen

Exakte Zeitmessungen spielen in unserem Alltag eine bedeutende Rolle. Sie ermöglichen es uns, verlässlich zu navigieren, präzise zu experimentieren und sorgen für einen weltweiten synchronisierten Datenaustausch. Die von einem Forscherteam der PTB Braunschweig, der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt durchgeführten Experimente bilden einen entscheidenden Schritt vorwärts zur möglichen Entwicklung einer Kernuhr. Eine solche Kernuhr könnte die Präzision herkömmlicher Atomuhren deutlich übertreffen. Der Kern des Thorium-229 besitzt den einzigen bekannten, für diese Anwendung geeigneten Anregungszustand bei einer Energie, die so außerordentlich tief ist, dass sie für aktuelle optische Techniken, wie sie in Atomuhren verwendet werden, zugänglich ist. In ihren aktuellen Experimenten gelang es den Wissenschaftlern, erstmals grundlegende Eigenschaften dieses Kerns im angeregten, isomeren Zustand zu messen und damit wesentliche Merkmale einzugrenzen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.

Schon vor etwa 15 Jahren wurde an der PTB in Braunschweig das Konzept einer neuen Atomuhr mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt: Taktgeber der Uhr soll nicht eine Übergangsfrequenz zwischen zwei Zuständen in der Elektronenhülle von Atomen sein, wie es bei allen heutigen Atomuhren der Fall ist, sondern eine Übergangsfrequenz im Atomkern. Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind um viele Größenordnungen dichter gepackt und fester gebunden, als die Elektronen in der Atomhülle, und damit weniger empfindlich gegen äußere Störungen, die ihre Übergangsfrequenzen ändern könnten; gute Bedingungen also für eine Uhr von hoher Genauigkeit. Normalerweise liegen die Frequenzen von Kernübergängen dafür aber auch viel höher als diejenigen von Hüllenübergängen – im Bereich von Röntgenstrahlung – und sie sind daher für Atomuhren, die bisher ausschließlich auf Mikrowellen oder Laserlicht basieren, nicht nutzbar.

Die einzige bekannte Ausnahme, und Grundlage des PTB-Vorschlags, ist der Kern Thorium-229. Dieser besitzt einen quasi-stabilen, sogenannt isomeren Kernzustand bei außerordentlich geringer Anregungsenergie. Damit existiert ein Übergang zwischen dem Grundzustand und diesem Isomer, der im Frequenzbereich von ultraviolettem Licht liegt, noch erreichbar mit Lasertechnik wie sie ähnlich auch in heutigen optischen Atomuhren verwendet wird. Mehr als zehn Gruppen weltweit arbeiten derzeit an Forschungsprojekten zur Realisierbarkeit einer Thorium-229-Kernuhr. Dabei erwies sich die Fragestellung experimentell als äußerst schwierig. So ist es bis heute nicht gelungen, den Kernübergang mit optischen Methoden zu beobachten, da die exakte Anregungsenergie des Isomers bisher nur grob bekannt ist. Wie für die Uhr erwünscht, ist die Resonanz des Übergangs extrem scharf und kann nur beobachtet werden, wenn die Frequenz des Laserlichts exakt zur Energiedifferenz der beiden Zustände passt. Das Problem gleicht damit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen.



Atomic Clock I
Kernuhr, die auf einem Übergang im Atomkern des schweren Thorium-229 basiert. In der Uhr soll der Kern durch Laserlicht angeregt werden. Im jetzt durchgeführten Experiment konnten durch Laseranregung der Elektronenhülle erstmals wichtige Eigenschaften des angeregten, isomeren Kernzustands gemessen werden. Hintergrund: Ausschnitt aus der Nuklidkarte um Thorium-229. Der Grundzustand ist mit seiner Halbwertszeit von 7932 Jahren eingetragen. Die Halbwertszeit des isomeren Zustands beträgt im neutralen Atom nur 7 μs und >60 s im Ion, da dieses kein schwach gebundenes Elektron emittieren kann. Die gemessenen Kerneigenschaften μ and Q, welche ein Maß für die Ladungsverteilung und die Kernform sind, sind ebenfalls eingetragen.
Bildnachweis: Christoph Düllmann, JGU Mainz
    Atomic Clock II
Die an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hergestellte Uran-233-Quelle (große Scheibe in der Bildmitte) wurde in die Experimentiereinrichtung an der LMU München eingebaut. In der perfekt glatten Oberfläche spiegeln sich Komponenten der Apparatur.
Bildnachweis: Lars von der Wense, LMU Munich
Grundlegende Eigenschaften im isomeren Zustand des Thorium-229-Kerns vermessen

In einer Kooperation von Wissenschaftlern und Ingenieuren der PTB, der LMU, der JGU, des HIM und des GSI Helmholtzzentrums ist jetzt ein wichtiger Durchbruch erzielt worden: Es konnten erstmals grundlegende Eigenschaften wie Größe und Form der Verteilung der Protonen im isomeren Zustand des Th-229-Kerns gemessen werden. Dafür wurden die Th-229-Kerne nicht, wie zukünftig in der Uhr, vom Grundzustand aus mittels Laserlicht angeregt, sondern in einer von der LMU entwickelten Apparatur im angeregten Zustand aus dem Alpha-Zerfall von Uran-233 gewonnen, abgebremst und in einer Ionenfalle als Th2+-Ionen gespeichert. Eine hierfür geeignete Uran-233-Quelle wurde von den Gruppen in Mainz und Darmstadt hergestellt. Dazu wurde Uran-233 chemisch aufgereinigt und seine Tochterprodukte wurden entfernt, um einen Einfluss auf die Messung zu verhindern. Anschließend wurden in einem elektrochemischen Verfahren passgenaue Quellen als homogene Dünnschicht auf einer Siliziumunterlage für die PTB-Laserexperimente in der LMU-Apparatur abgeschieden. Christoph Düllmann, Professor am Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der beteiligten Gruppen an HIM und GSI, sagt: »Unsere Beiträge in diesem interdisziplinären Team aus Physikern und Chemiker zu einem Thema, das die Bereiche der Kernphysik und der Atomphysik verbindet, zeigt, dass kernchemische Expertise für die Bereitstellung geeigneter Proben für Experimente in verschiedensten Gebieten der aktuellen Forschung in Physik und Chemie unerlässlich ist.«

Mit Lasersystemen, die für die Spektroskopie dieser Ionen an der PTB entwickelt wurden, konnte man Übergangsfrequenzen in der Elektronenhülle der Th2+-Ionen präzise vermessen. Da diese Frequenzen von den Kerneigenschaften direkt beeinflusst werden, lassen sich daraus die Informationen über Eigenschaften des Kerns erhalten. Theoretische Modelle allein waren bisher nicht in der Lage vorherzusagen, wie sich die Struktur des Th-229-Kerns bei diesem ungewöhnlich niederenergetischen Übergang verhält.

Professor Thomas Stöhlker, stellvertretender Forschungsdirektor und Leiter des Bereichs Atomphysik von GSI, sagt: »Diese phantastischen neuen Ergebnisse sind sehr hilfreich, um in zukünftigen Experimenten an den Speicherringen von GSI und FAIR die Energiebestimmung des Übergangs in Th-229 vorzunehmen und diesen mit hoher Präzision zu vermessen.« Ferner kann nun die laserspektroskopisch leichter messbare Struktur der Elektronenhülle genutzt werden, um eine Laseranregung des Kerns nachzuweisen. Die Suche nach der optischen Resonanzfrequenz des Th-229-Kerns als der Nadel im Heuhaufen ist damit noch nicht abgeschlossen, aber man weiß nun viel genauer, wie die versteckte Nadel eigentlich aussieht.

Johannes Thielking, Wissenschaftler bei der PTB, mit dem Laseraufbau zur Untersuchung des Thorium-229 Kerns.
Bildnachweis: PTB Braunschweig


Publikation

Übersicht

The isotope 229Th is the only nucleus known to possess an excited state 229mTh in the energy range of a few electronvolts—a transition energy typical for electrons in the valence shell of atoms, but about four orders of magnitude lower than typical nuclear excitation energies. Of the many applications that have been proposed for this nuclear system, which is accessible by optical methods, the most promising is a highly precise nuclear clock that outperforms existing atomic timekeepers. Here we present the laser spectroscopic investigation of the hyperfine structure of the doubly charged 229mTh ion and the determination of the fundamental nuclear properties of the isomer, namely, its magnetic dipole and electric quadrupole moments, as well as its nuclear charge radius. Following the recent direct detection of this long-sought isomer, we provide detailed insight into its nuclear structure and present a method for its non-destructive optical detection..

Johannes Thielking1, Maxim V. Okhapkin1, Przemysław Głowacki1, David M. Meier1, Lars von der Wense2, Benedict Seiferle2, Christoph E. Düllmann3,4,5, Peter G. Thirolf2 & Ekkehard Peik1
Laser spectroscopic characterization of the nuclear clock isomer 229mTh
Nature, 556, 321-325 (2018)
DOI: 10.1038/s41586-018-0011-8

*Korrespondierender Autor

Beteiligte Institute

  1. Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
  2. Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), Garching
  3. GSI Helmholzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
  4. Helmholtz Institut Mainz (HIM), Mainz
  5. Johannes Gutenberg Universität Mainz, Mainz

Pressemitteilungen

  • Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig (deutsch, englisch, 17. April 2018)
  • Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) (englisch, 19. April 2018)
  • Johannes Gutenberg University Mainz, Germany (deutsch, englisch, 19. April 2018)
  • GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany (deutsch, englisch, 18. April 2018)

Februar 2018

KC-Modul-, Bachelor- und Masterarbeiten für Chemiker im AK Düllmann

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26. Februar 2018

The Quest for Superheavy Elements and the Island of Stability

A race is on to create the world's heaviest elements — and to explore the periodic table's “island of stability,” where these elements exist for more than a moment
Der Artikel von Christoph E. Düllmann und Michael Block ist in der Ausgabe März 2018 von "Scientific American" zu finden.


14. Dezember 2017
TAN19 
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21. September 2017

Michael Götz gewinnt den ersten Posterpreis an der Jahrestagung der Fachgruppe Nuklearchemie im September 2017 in Berlin

Die Posterpreisträger (von links nach rechts) Roger Kloditz (HZDR Dresden-Rossendorf), Michael Götz (JGU Mainz/HIM Mainz/GSI Darmstadt) und Hauke Bosco (LU Hannover) mit dem Vorsitzenden des Fachgruppenvorstandes, Ch. Düllmann, bei der Preisübergabe.

Michael Götz, Doktorand in unserer Gruppe, hat an der Jahrestagung der Fachgruppe Nuklearchemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) am Wissenschaftsforum Chemie 2017 in Berlin den ersten Posterpreis gewonnen mit seinem Poster zum Thema "Die in-situ Darstellung von Carbonylkomplexen kurzlebiger Übergangsmetall-Isotope ohne physikalische Vorseparation". Herzliche Gratulation!


9. Juni 2017
TASCA 17 
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12. Dezember 2016

Direkter Nachweis des exotischen Kernisomers in Thorium-229 ist ein "Physics World Top Ten Durchbruch" des Jahres 2016

Der direkte Nachweis des exotischen Kernisomers in Thorium-229 durch eine von der LMU München geleitete Kollaboration mit Beteiligung unserer Arbeitsgruppe ist vom britischen "Institute of Physics" als ein "Physics World Top Ten Breakthrough of the Year 2016" ausgewählt worden. Massgeblich für die Wahl waren die grundlegende Bedeutung des Forschungserfolges, signifikanter Wissensfortschritt, starke Verbindung von Theorie und Experiment, sowie allgemeines Interesse für alle Physiker. Der gelungene Nachweis des bei ungewöhnlich niedriger Anregungsenergie liegenden isomeren Zustandes legt eine Basis für nächste Schritte auf dem Weg zu einer möglichen künftigen "Kernuhr". Die Präzision einer solchen Uhr könnte diejenige der besten gegenwärtigen Uhren – den Atomuhren – massgeblich übertreffen.

Die Arbeiten, die von PD Dr. Peter Thirolf und Dr. Lars von der Wense von der LMU München geleitet wurden, sind in der "Nature" Ausgabe vom 5. Mai 2016 publiziert. (s. auch den begleitenden "News & Views" Beitrag von M. Safronova). Weitere Informationen sind von der LMU München Gruppe, dem NuClock Konsortium, und Pressemitteilungen der GSI und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die anlässlich der Veröffentlichung des Artikels erschienen, zu finden.

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29. September 2016

Nobelium im Rampenlicht – Einzelatom-Laserspektroskopie an SHIP gibt ersten Einblick in atomare Struktur dieses schweren Elements

Die Analyse atomarer Spektren ist von fundamentaler Bedeutung für unser Verständnis der Atomstruktur. Hochpräzise optische Studien, die einen solchen Zugang geben, sind aber bisher nie an den schwersten Elementen, die nicht natürlich vorkommen und auch künstlich nicht in wägbaren Mengen erzeugt werden können, durchgeführt worden. Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Dr. Mustapha Laatiaoui von der SHE Physik Abteilung an der GSI und am HIM und Prof. Michael Block (GSI, HIM und JGU Mainz) unter Mitwirkung von Kollaborationspartnern unserer Abteilung, wie auch mehrerer weiterer Forschergruppen, gelang nun der erstmalige Blick in die innere Struktur von Nobelium, Element 102.

In einem im Oktober 2016 in der Fachzeitschrift "Nature" veröffentlichten Beitrag, stellen die Forscher die erfolgte Charakterisierung des optischen Übergangs vom 1S0 Grundzustand in den angeregten 1P1 Zustand vor, die mit der für Laserexperimente typischen hohen Präzision erfolgte. Aus der Beobachtung hochliegender Rydbergzustände wurde weiterhin Information zur ersten Ionisierungsenergie von Nobelium erhalten. In den Experimenten wurden die beiden Isotope 252No und 254No untersucht, woraus auch Informationen über die Isotopieverschiebung erhalten wurde, welche wiederum Zugang zu kernphysikalischen Eigenschaften gibt. Die erhaltenen Daten sind in guter Übereinstimmung mit aktuellen Relativistischen Coupled Cluster und Multikonfigurations-Dirac-Fock-basierten theoretischen Berechnungen.
Der prinzipielle Experimentaufbau ist in nachfolgender Zeichnung dargestellt.

Schematischer Experimentaufbau für die Laserspektroskopieuntersuchungen an Nobelium. Nobelium-Ionen () werden im Geschwindigkeitsfilter SHIP vom Primärstrahl 48Ca abgetrennt. Durch ein 3.5 μm Mylar-Vakuumfenster gelangen sie in die mit 95 mbar Argon gefüllte Puffergaszelle, und werden dort auf einem Tantalfilament gesammelt. Dieses wird periodisch auf 1350 K geheizt, was zur Abdampfung des Nobeliums in atomarer Form () führt. Zwei Laserstrahlen, die das betreffende Volumen ausleuchten, erlauben die Zwei-Schritt Resonanzionisation. Die so gebildeten Nobelium-Ionen werden durch Extraktionselektroden auf den PIPS α Detektor gelenkt, welcher den Radioaktiven Zerfall der untersuchten Nobeliumisotope registriert.
Abbildung: Mustapha Laatiaoui / GSI/HIM

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29. Juni 2016

Nicht nur bei Element 113 stimmt die Chemie: Professor David Hinde aus Australien ist als Helmholtz International Fellow zu Gast bei GSI und HIM

Professor David Hinde, Direktor der Schwerionenbeschleunigeranlage an der Australian National University (ANU) in Canberra (Australien), hat den Helmholtz International Fellow Award erhalten. Der Preis ist mit 20.000 Euro dotiert und soll den jeweiligen Preisträgern einen Forschungsaufenthalt in einem Helmholtzzentrum ermöglichen. Hinde, ein führender Experte auf dem Gebiet der Kern-Kern-Kollisionen, nutzt die Auszeichnung, um die Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) und dem Helmholtz Institut Mainz (HIM) zu vertiefen. Vor kurzem war er erneut zu einem Forschungsaufenthalt in Darmstadt und Mainz zu Besuch.

Ein zentrales Thema dabei war die Chemie des vor kurzem offiziell anerkannten Elements 113, das laut IUPAC in Japan entdeckt worden war und für das inzwischen der Namensvorschlag "Nihonium" vorliegt. Eine Woche lang war Professor Hinde als Mitglied einer von der Abteilung Superschwere Elemente Chemie (SHE Chemie) geführten Kollaboration am Rückstoßseparator TASCA zu Gast. 40 Wissenschaftler und Techniker aus zehn Forschungszentren haben dabei zusammengearbeitet. Ziel des dreiwöchigen Experiments war, die chemischen Charakteristika des Elements zu untersuchen. Ein weiterer Hauptaspekt des Besuchs war die Diskussion kommender gemeinsamer Experimente der beiden Arbeitsgruppen an der Beschleunigeranlage an der ANU in Australien. Ein sehr enger Partner ist dabei auch das Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das auch im HIM kooperiert. Nach dem Besuch im Rhein-Main-Gebiet ging es zu einem Symposium nach Schweden und wieder zurück in die Heimat Australien.

Auch dieser Aufenthalt verstärkt den intensiven wissenschaftlichen Austausch der australischen Forscher und ihren Kollegen bei GSI und HIM. Ein Austausch, der vor fünf Jahren begonnen hatte und seit 2012 von Professor Hinde und Christoph Düllmann, Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der Abteilung SHE Chemie bei GSI und HIM, intensiviert wurde. Hinde erinnert sich: „Christoph kam 2012 zu einer Konferenz nach Australien, dort haben wir uns kennengelernt und bald beschlossen, zusammenzuarbeiten.“ Durch die gemeinsamen Forschungsinteressen und die komplementäre Forschungsinfrastruktur bei ANU und GSI wurden in den letzten Jahren zunehmend stärkere Kooperationen zwischen den Forschergruppen in Deutschland und Australien etabliert. Gemeinsame Experimente wurden seit 2011 bei ANU und seit 2012 bei GSI durchgeführt. „GSI hat hervorragende Instrumente, damit sind sie unter den besten in der Welt“, urteilt Hinde.

Auch die Nominierung von David Hinde für den Helmholtz International Fellow Award ist aus dieser Kooperation heraus entstanden und von HIM via GSI initiiert worden. Christoph Düllmann, der im Winter selbst für mehrere Monate in Canberra war und mit Hinde und weiteren Mitgliedern seiner Arbeitsgruppe am Tandem-Beschleuniger gemeinsame Experimente durchgeführt hat, hebt hervor: „David Hinde ist ein anerkannter Experte für fundamentale Hochpräzisionsuntersuchungen niedrigenergetischer Kernfusionsreaktionen in einem weiten Bereich der Nuklidkarte. Unter seiner Leitung wurden einmalige Geräte für solche Untersuchungen aufgebaut, die die Präzisionsstrahlcharakteristik der ANU-Beschleunigeranlage optimal ausnutzen.“

Eine komplexe Thematik, aber dahinter steht ein ganz einfacher Antrieb, der den heute 59 Jahre alten gebürtigen Engländer einst zu seiner Berufswahl gebracht hat: „Ich mag Physik, und es soll nicht geprahlt klingen, aber ich bin gut darin. Ich wollte immer wissen, wie die Dinge in der Natur funktionieren.“ Deutschland kennt der verheiratete Familienvater zweier erwachsener Kinder schon viele Jahre, Ende der achtziger Jahre war er am Berliner Hahn-Meitner-Institut tätig, dem heutigen Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Und wie hat er die GSI kennengelernt? Kennengelernt scheint nicht das richtige Wort, denn Hinde sagt schlicht: „Jeder kennt die GSI. Sie ist berühmt.“

An einen Schlüsselmoment erinnert sich Hinde immer noch gerne: Während einer Konferenz im Jahr 1996 berichtete Professor Peter Armbruster von den Forschungen bei GSI rund um das hier entdeckte Element 112 (Copernicium) – und beschrieb die Zerfallskette von 112 als physikalisches Gedicht. Das hat Hinde nie vergessen: „Ich fand das sehr inspirierend, diese Leidenschaft und Poesie. Für mich war das eine starke Motivation für meine Arbeit.“

D. Hinde

Der australische Professor David Hinde hat während seines Forschungsaufenthalts am Rückstoßseparator TASCA bei GSI gearbeitet, im Foto justiert er den richtigen Zeitbereich für den Strahlpuls.
Foto: Gabi Otto / GSI


Mai 2016
TASCA16 workshop 

9. Mai 2016

Entwicklung hochpräziser Kernuhr rückt näher

Zeitmessung mithilfe der Schwingungen von Atomkernen könnte die Präzision herkömmlicher Atomuhren deutlich übertreffen

Atomuhren sind die genauesten Uhren der Welt: Den Rekord hält derzeit eine Uhr, die in 20 Milliarden Jahren nur eine Sekunde abweicht. Unter der Leitung von Peter Thirolf von der LMU München und seiner Arbeitsgruppe hat ein Team, dem auch Wissenschaftler und Ingenieure der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt angehören, nun erstmals einen seit 40 Jahren weltweit gesuchten Anregungszustand des Elements Thorium experimentell nachgewiesen, mit dessen Hilfe diese Genauigkeit sogar noch etwa zehnfach verbessert werden könnte. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.



Atomic Clock I
Graphische Darstellung einer auf einem Übergang im Atomkern des schweren Thorium-229 basierenden Kernuhr (links). Die beim Kernübergang vom Isomer in den Grundzustand freiwerdenden Elektronen (oben rechts) wurden erstmals direkt nachgewiesen. Im Hintergrund ist der entsprechende Ausschnitt aus der Nuklidkarte, in der alle bekannten Atomkerne tabelliert sind, zu sehen, in dem der Grundzustand von Th-229 mit einer Halbwertszeit von 7932 Jahren sowie das nun direkt nachgewiesene Isomer mit >60 Sekunden Halbwertszeit eingetragen sind.
Bildnachweis: Christoph Düllmann, JGU Mainz
    Atomic Clock II
Die an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hergestellte Uran-233-Quelle (grosse Scheibe in der Bildmitte), eingebaut in die Experimentiereinrichtung an der Ludwigs-Maximilian-Universität München. In der perfekt glatten Oberfläche, aus der die untersuchten Thorium-229m-Atome nach links in die Apparatur austreten, separiert werden und schließlich in einen Detektor (nicht sichtbar) gelangen, spiegeln sich Komponenten der Apparatur, die die ultrahochreinen Bedingungen, welche für diese Untersuchungen notwendig waren, erzeugten.
Bildnachweis: Lars von der Wense, LMU Munich
Schwingungen als Taktgeber

Die Sekunde ist die Basiseinheit der messbaren Zeit. Herkömmliche Atomuhren ermitteln die Dauer einer Sekunde über Schwingungen, die angeregte Elektronen in der Elektronenhülle des Elements Cäsium aussenden. Die derzeit beste Atomuhr erreicht eine relative Genauigkeit von fast 10-18. „Noch viel präzisere Messungen wären mit einer sogenannten Kernuhr möglich, bei der nicht Schwingungen in der Elektronenhülle eines Atoms gemessen würden, sondern Schwingungen direkt im Atomkern“, sagt Thirolf. „Eine solche Uhr hätte außerdem den Vorteil, dass Atomkerne etwa 100.000 Mal kleiner sind als ganze Atome und daher wesentlich unempfindlicher auf Störeinflüsse von außen reagieren.“

Allerdings ist von allen bisher bekannten über 3300 Atomkernen nur ein einziger potenziell für den Einsatz als Kernuhr geeignet: der schwere Atomkern des Elements Thorium mit der Massenzahl 229 (Thorium-229). Seit mehr als 40 Jahren vermuten Wissenschaftler, dass es für diesen Atomkern einen Anregungszustand (Isomer) gibt, der nur knapp über dem energetischen Grundzustand liegt, das sogenannte Thorium-Isomer Th-229m. Dieses Isomer stellt den niedrigsten Anregungszustand aller bekannten Atomkerne dar. Zusätzlich wird für Th-229m eine relativ lange Lebensdauer von einigen Minuten bis zu Stunden erwartet. Deswegen geht man davon aus, dass extrem genaue Messungen der Schwingungen, die beim Kernübergang von Th-229m zurück zum Grundzustand entstehen, möglich sind.

Kernübergang erstmals direkt nachgewiesen

Allerdings konnte das Thorium-Isomer Th-229m bisher noch nie direkt nachgewiesen werden: „Dass es existiert, ging bislang nur aus indirekten Messungen hervor“, sagt Thirolf. In einem komplexen Experiment ist es den Wissenschaftlern nun erstmals gelungen, das Isomer direkt nachzuweisen. Dabei nutzten sie den radioaktiven Alpha-Zerfall von Uran-233 als Quelle: Eines der Zerfallsprodukte von Uran-233 ist eben Th-229m. „Das Uran-233 wurde im Institut für Kernchemie der Universität Mainz chemisch gereinigt und von unserem Team aus Mainzer und Darmstädter Experten als hochreine Dünnschicht auf einem titanbeschichteten Silicium-Wafer aus der Halbleiterindustrie abgeschieden. Diese Uran-233-Quelle wurde danach in München in die Experimentierapparatur eingebaut und lieferte dort das zu untersuchende Th-229m", erklärt Christoph Düllmann, der die entsprechenden Arbeitsgruppen in Mainz und Darmstadt leitet.

„Das Th-229m wurde über mehrere Zwischenschritte schließlich als Ionenstrahl isoliert. Mithilfe eines Mikrokanalplatten-Detektors konnten wir dann den Kernübergang, also den Zerfall des Isomers zurück zum Grundzustand von Thorium, als klares und eindeutiges Signal messen – und so direkt nachweisen, dass dieser angeregte Zustand tatsächlich existiert“, sagt Thirolf. „Das ist ein Fortschritt, der für die zukünftige Entwicklung einer Kernuhr entscheidend ist“, betont der LMU-Physiker. „Im Rahmen des europäischen Forschungsverbundes nuClock werden wir dieses Ziel weiter verfolgen. Als nächstes müssen nun die Eigenschaften des Kernübergangs genauer bestimmt werden, das heißt seine Halbwertszeit und vor allem die genaue Übergangsenergie. Mithilfe dieser Daten könnten Laserphysiker einen auf die Übergangsfrequenz abgestimmten Laser entwickeln – eine wichtige Voraussetzung, um die Kernanregung optisch zu kontrollieren.“ Thomas Stöhlker, Forschungsdirektor des GSI Helmholtzzentrums in Darmstadt, sagt: „Diese neuen Befunde sind sehr wertvoll, auch für die am GSI/FAIR-Speicherring geplanten Experimente zum Th-229m, insbesondere zur Energiebestimmung des Übergangs."


Publikation

Übersicht

Today’s most precise time and frequency measurements are performed with optical atomic clocks. However, it has been proposed that they could potentially be outperformed by a nuclear clock, which employs a nuclear transition instead of an atomic shell transition. There is only one known nuclear state that could serve as a nuclear clock using currently available technology, namely, the isomeric first excited state of 229Th (denoted 229mTh). Here we report the direct detection of this nuclear state, which is further confirmation of the existence of the isomer and lays the foundation for precise studies of its decay parameters. On the basis of this direct detection, the isomeric energy is constrained to between 6.3 and 18.3 electronvolts, and the half-life is found to be longer than 60 seconds for 229mTh2+. More precise determinations appear to be within reach, and would pave the way to the development of a nuclear frequency standard.

Lars von der Wense*1, Benedict Seiferle1, Mustapha Laatiaoui2,3, Jürgen B. Neumayr1, Hans-Jörg Maier1, Hans-Friedrich Wirth1, Christoph Mokry3,4, Jörg Runke2,4, Klaus Eberhardt3,4, Christoph E. Düllmann2,3,4, Norbert G. Trautmann4 & Peter G. Thirolf1
Direct detection of the 229Th nuclear clock transition
Nature, 533, 47-51 (2016)
DOI: 10.1038/nature17669

*Korrespondierender Autor

Beteiligte Institute

  1. Ludwig-Maximilians-Universität München, Garching
  2. GSI Helmholzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
  3. Helmholtz Institut Mainz (HIM), Mainz
  4. Johannes Gutenberg Universität Mainz, Mainz

Mehr Informationen:

Pressemitteilungen

  • LMU Garching (deutsch, englisch, 4. Mai 2016)
  • Johannes Gutenberg University Mainz (deutsch, englisch, 6. Mai 2016)
  • GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt (deutsch, englisch, 4. Mai 2016)

11. Dezember 2015

Letzte bekannte magische Neutronenzahl wird schwächer in schweren Elementen

Einer internationalen Forschergruppe gelang die Erzeugung und Detektion neuer, extrem kurzlebiger Atomkerne des Elements Uran. Diese besitzen viel weniger Neutronen als Uranatomkerne, die in der Natur vorkommen, und existieren nur für etwa eine millionstel Sekunde. Die neuen Daten liefern Schlüsselinformationen zum Verständnis, wie die Anordnung von Protonen und Neutronen in exotischen Atomkernen deren Stabilität beeinflusst. Dies wird verbesserte Vorhersagen für Experimente zur Suche nach neuen superschweren Elementen erlauben.

Protonen und Neutronen werden in individuellen Schalen in Atomkernen angeordnet. Atomkerne mit eine Anzahl, die eine gewisse Protonen- oder Neutronenschale auffüllt, sind stabiler als andere. Für Protonen ist 82 die letzte bekannte dieser sogenannten "magischen" Zahlen, für Neutronen 126. Blei-208 — mit 82 Protonen und 126 Neutronen — besitzt somit den schwersten bisher bekannten doppelt-magischen Kern und ist Hauptbestandteil des natürlichen Bleis, wie es im täglichen Leben verwendet wird, beispielsweise in Blei-Akkus. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu ermitteln, wieviele Protonen die nächste Schale aufzunehmen vermag, deren Abschluss zu einer "Insel der Stabilität" in der Region der superschweren Elemente führen sollte. Aktuelle theoretische Modelle sind sich nach wie vor uneinig: Einige sagen 114 voraus, andere eher 120 oder sogar 126. Element 114 ist zwar bekannt. Davon kann aber nur etwa ein Atom pro Tag produziert und untersucht werden, was für detailliertere Studien nicht ausreicht. Die Elemente 120 und 126 wurden noch nicht entdeckt. Wissenschaftler suchen deshalb anderweitig nach Daten, die eine Verfeinerung der Modelle ermöglichen.

Eine internationale Forschergruppe um Dr. Jadambaa Khuyagbaatar vom Helmholtz-Institut Mainz, Deutschland, und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland, hat nun die Entwicklung dieses letzten bekannten Neutronenschalenabschlusses zu schwereren Elementen hin untersucht. Im Zentrum stand die Frage, ob dessen Einfluss in diesen zunehmend instabilen Kernen so dominant bleibt, wie in Blei-208. Dazu wurden Atomkerne von Uran erzeugt. Diese verfügen über zehn Protonen mehr als diejenigen von Blei. In der Natur vorkommendes Uran, z.B. Uran-238, besitzt deutlich mehr als 126 Neutronen, weswegen erst neue Atomkerne, Uran-221, erzeugt werden und auch detaillierte Daten zu Uran-222 gemessen werden mussten. Von diesem Kern waren bisher erst drei Atome in einem Experiment im Jahre 1983 beobachtet worden. In ihrem Experiment bei GSI Darmstadt bestrahlten die Wissenschaftler eine Folie, auf welche Ytterbium-176 (Element 70) aufgebracht war, mit einem intensiven Titan-50- Ionenstrahl (Element 22). Die vollständige Verschmelzung zweier Atomkerne führte zu Kernen des Urans (Element 92), die im gasgefüllten Separator TASCA isoliert und zu einem Detektionssystem gelenkt wurden, in dem ihr Zerfall gemessen werden konnte. Dies ermöglichte die Untersuchung der Instabilität dieser Kerne, die innerhalb von Mikrosekunden zerfielen. Solch kurze Lebensdauern konnten nur dank eines neuen Datenaufnahmesystems und fortgeschrittenen Techniken zur Datenauswertung gemessen werden. Die Analyse kombinierter Daten von Isotopen von Blei bis hoch zu Uran mit Neutronenzahlen um 126, ergab, dass dies in Uran keine ausgeprägte magische Neutronenzahl mehr zu sein scheint. Dies erlaubt die Überprüfung aktueller Kernmodelle, die z.B. für die Suche nach neuen superschweren Elementen herangezogen werden.

Veröffentlichung:
J. Khuyagbaatar et al., Physical Review Letters 115, 242502 (2015); 10. Dezember 2015.
Siehe auch Erläuterungen hier.

uranium-222

Die Abbildung zeigt eine von über 80 registrierten Spuren eines Dreifach-Signals aus der Implantation von Uran-222 in den Detektor (rot), die Emission eines α Teilchens mit 9.31 MeV Energie (blau), die zu Thorium-218 geführt hat, gefolgt vom sehr schnellen Zerfall dieses Kerns durch Emission eines 9.67 MeV α Teilchens, der zu Radon-214 geführt hat. Dessen Zerfall fand nach dem Ende der gezeigten Spur statt und wurde in einem anderen Zweig des verwendeten Datenaufnahmesystems detektiert.
Bildnachweis: J. Khuyagbaatar / HIM&GSI

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November 2015

Helmholtz International Fellow Award für Professor David Hinde, ANU Canberra, Australien

Prof. Maas, Prof. Hinde

Der "Helmholtz International Fellow Award" Preisträger Professor David Hinde von der Australischen Nationaluniversität Canberra, Australien (rechts) und Professor Frank Maas, Direktor des Helmholtz-Instituts Mainz − HIM − (links) feiern die Verleihung des Preises anlässlich eines Aufenthalt des Preisträger in Mainz im September 2015. (Foto: Ch. Düllmann, U. Mainz)

Professor Dr. David Hinde ist Direktor der Schwerionenbeschleunigeranlagean der Australian National University (ANU) Canberra, Australia. Er ist ein anerkannter Experte für fundamentale Hochpräzisionsuntersuchungen niederenergetischer Kernfusionsreaktionen in einem weiten Bereich der Nuklidkarte. Unter seiner Leitung wurden einmalige Geräte wie "CUBE" und "SOLITAIRE" aufgebaut. Diese erlauben die optimale Ausnutzung der Präzisionsstrahlcharakteristik, wie z.B. der exzellenten Mikro-Zeitstruktur der ANU Schwerionenbeschleunigeranalage, die am Fachbereich für Kernphysik betrieben wird. Die Leistungsfähigkeit von CUBE erlaubt, die Dynamik des Fusionsprozesses zweier Atomkerne auf einer Zeitskala von 10-21 s zu untersuchen, was einen neuen Einblick in die Phänomene erlaubt, welche die Fusion zweier kollidierender Atomkerne entweder unterstützen oder aber behindern.

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Oktober 2015

Darmstadtium (Ds) - Was im Periodensystem an Wirtschaft steckt.

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September 2015

Giersch-Excellence-Award 2015 an Paul Scharrer

Paul Scharrer, Doktorand in der Forschungssektion SHE Chemie am Helmholtz-Institut Mainz (HIM), wurde mit einem „Giersch Excellence Award" für herausragende wissenschaftliche Arbeit der letzten Jahren ausgezeichnet und wird in die Graduiertenschule Giersch aufgenommen.

Das Thema seiner Doktorarbeit ist die Untersuchung von Elektronenabstreifprozessen (Stripping) beim Durchgang von Schwerionen mittlerer Geschwindigkeit durch gasförmige Medien. Das Verständnis solcher Prozesse ist eine wesentliche Grundlage für die Untersuchung superschwerer Elemente in gasgefüllten Separatoren, wie TASCA bei GSI, an dem die Elemente 114, 115 und 117 untersucht, sowie empfindliche Suchexperimente nach den neuen Elementen 119 und 120 durchgeführt wurden. Eine andere Anwendung der Stripping-Technologie ist die Produktion hochgeladener Ionen, wie sie idealerweise für die Beschleunigung an der GSI-, sowie künftig an der FAIR-Beschleunigeranlage verwendet werden. Im Zentrum von Paul Scharrers Arbeit steht die Erzeugung hochgeladener Ionen schwerer Projektile, die an Beschleunigerzentren in aller Welt verwendet werden. Typischerweise werden solche Projektile, z.B. 238U, in relativ niedrigen Ladungszuständen (4+ an der GSI) erzeugt. Damit sind sie nur schlecht für die Beschleunigung auf hohe Energien geeignet. Nach Erreichen einer Energie von 1.4 MeV/u in der ersten Beschleunigerstufe des GSI UNILACs entzieht man den Ionen in einer gasgefüllten Wechselwirkungszone Elektronen, wodurch sich ihr Ladungszustand erhöht.
Gemeinsam mit seinen Kollegen von der Abteilung SHE Chemie an der GSI und am HIM, sowie dem Projektbereich Linac and Operations (L&O) innerhalb von FAIR@GSI hat Paul Scharrer einen neuen Gasstripper entwickelt, der speziell für den FAIR-Injektor Betrieb mit sehr geringem Tastverhältnis (kleiner als 0.03 %) ausgelegt wurde. Der neue Aufbau basiert auf gepulster Einspritzung, die nur während des Strahldurchgangs Gas injiziert. Dadurch konnte die Gaslast massiv verringert werden; die Gasdichte während des Strahltransits ist allerdings trotz der beschränkten Pumpkapazität und der strikten Vakuumanforderungen der angrenzenden Beschleunigersektionen deutlich höher als im alten Aufbau. Zusätzlich können neben dem bisher verwendeten Stickstoff auch unterschiedlichste andere Gasarten verwendet werden. Theoretische Untersuchungen von Prof. V. Shevelko, Lebedev Physical Institute in Moskau, Russland, der in den vergangenen Jahren mehrere Monate Gastwissenschaftler am HIM war, wurden durch systematische Messungen an der GSI bestätigt: Sie zeigten, dass ein gepulster Wasserstoffstripper, mit dem Elektronen wesentlich effektiver abgestreift werden können, am leistungsfähigsten sein sollte. Im Rahmen der durchgeführten Wasserstoff-Stripperuntersuchungen wurde am GSI UNILAC ein neuer Intensititätsrekord für 238U28+ erreicht, der mehr als 50 % über dem bisherigen erreichten Wert liegt. Die gemessene Strahlbrillianz, die ein Maß für die Qualität des Ionenstrahls darstellt, entspricht bereits mehr als 65 % des FAIR-Designwertes. Bei noch höherer Wasserstoffdichte, wie sie in kommenden Messungen verwendet werden soll, können perspektivisch für viele Ionen noch höhere mittlere Ladungszustände erreicht werden. Daneben eröffnet die neu entwickelte Stripping-Technologie auch die Möglichkeit, durch pulsweisen Wechsel zwischen unterschiedlichen Gasen, spezifisch optimierte Bedingungen für unterschiedliche Projektile der beiden Ionenquellen des GSI-Hochstrominjektors anbieten zu können. „Dies erhöht die Flexibilität der gesamten GSI-Beschleunigeranlage und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu FAIR" erläutert Dr. Winfried Barth, Leiter des GSI Projektbereichs „LINAC and Operations” und stellvertretender Abteilungsleiter der HIM-Sektion ACID. Christoph Düllmann, Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der Abteilung SHE Chemie bei GSI und HIM fügt hinzu: „Paul Scharrers Arbeit zeigt eindrücklich die enge Verknüpfung von Grundlagenforschung, z.B. zur Produktion und Untersuchung der superschweren Elemente, und darauf basierenden technischen Fortschritten, die manchmal in Gebieten zur Anwendung kommen, die auf den ersten Blick ziemlich weit voneinander entfernt scheinen".

Paul Scharrer / HIM Paul Scharrer vor der Gasstrippersektion des UNILAC-  Beschleunigers an der GSI.
Foto: Ch. Düllmann / GSI


           


















 
 

1. Juli 2015

TASCA15 workshop


7. August 2015

An der Unversität Mainz präparierte 163Ho Proben für hochpräzise Messung der Zerfallsenergie von 163Ho an GSI Darmstadt ebnen den Weg zur Bestimmung der Neutrinomasse

Mit Proben von 163Ho, die am Institut für Kerchmie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz präpariert wurden, wurde die atomare Massendifferenz von 163Ho und 163Dy direkt gemessen. Dazu wurde am Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP an der GSI Darmstadt die neue phasenabbildende Ion-Cyclotron-Resonanz Technik angewendet, die höchstpräzise Messungen erlaubt. Dies erlaubte, das mehrere Jahre währende Rätsel grosser Unterschiede in der Zerfallsenergie - genannt Q-Wert - von 163Ho, die mit unterschiedlichen Techniken indirekt ermittelt wurden, zu lösen. Unsere gemessene Massendifferenz verschiebt den in der aktuellen Atomic Mass Evaluation 2012 empfohlenenen Q-Wert von 2555(16) eV um mehr als 7σ zu (30stat) (15sys) eV/c2. Mit der neuen Massendifferenz wird es bspw. möglich, in der ersten Phase des ECHo-Experiments eine statistische Emfindlichkeit für die Neutrinomasse unterhalb 10 eV zu erreichen. Dies reduziert die aktuelle Obergrenze um mehr als eine Grössenordnung.
Die Resultate wurden am 5. August 2015 in Physical Review Letters publiziert (S. Eliseev et al., Physical Review Letters 115, 062501 (2015)).

163Ho wurde durch intensive Neutronenbestrahlung von 162Er im Hochflussreaktor des Instituts Laue Langevin in Grenoble, Frankreich, erzeugt und anschliessend mittels radiochemischer Methoden aufgereinigt, wie sie auch in der Erforschung der superschweren Elemente angewendet werden.

Weitere Informationen:

Holger Dorrer with Ho-163
Holger Dorrer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz auf der Plattform des Forschungsreaktors TRIGA Mainz, mit dessen Hilfe die Reinheit des verwendeten Probenmaterials bestätigt wurde. In der Hand hält er das produzierte und isolierte 163Ho.
Bildnachweis: H.-M. Schmidt / JGU Mainz
 
 
Vergleich der publizierten Q-Werte für den 163Ho Elektroneneinfangszerfall.
Bildnachweis: ECHo collaboration
 
 

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