Interatomare Prozesse in Helium Nanotröpfchen

Die Ionisierung von Materie durch energiereiche Strahlung verursacht in der Regel komplexe Sekundärreaktionen, die schwer zu entschlüsseln sind. Helium-Nanotröpfchen eignen sich aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften – der einfachen elektronischen Struktur der He-Atome, der extrem schwachen Bindung der He-Atome untereinander und den quantenfluidischen Eigenschaften von He-Nanotröpfchen [1] – ideal, um diese Sekundärprozesse aufzuklären.

Der einfachste interatomare Zerfallsprozess tritt auf, wenn mehrere He-Atome in einem He-Nanotröpfchen durch einen intensiven VUV-Impuls resonant angeregt werden. Dann können Paare von angeregten He*-Atomen Energie austauschen und durch die Reaktion He* + He* → He + He+ + e zerfallen [2]. Dieser Prozess, der traditionell als Penning-Ionisation bezeichnet wird, lässt sich durch die Emission eines charakteristischen Elektrons eindeutig identifizieren.

Komplexere sekundäre Ionisationsprozesse bei höheren Photonenenergien beinhalten elastische und unelastische Streuung des Elektrons, wodurch mehrere He*-Anregungen in einem Tropfen entstehen (siehe Abbildung oben [3]), die gleichzeitige Photoionisation und Anregung eines He-Atoms, gefolgt von einer Energieübertragungsionisation eines benachbarten He-Atoms in der Reaktion He+* + He + e → He+ + He+ + 2e [4], und die Photo-Doppelanregung eines He-Atoms, gefolgt von einer Energieübertragungsionisation durch die Reaktion He** + He → He* + He+ + e [5].

Helium-Nanotröpfchen werden meist als ultrakalte und inerte Substrate für die spektroskopische Untersuchung eingebetteter Moleküle verwendet [6]. Wenn das He in den Tröpfchen angeregt oder ionisiert wird, kann die Übertragung von Energie oder Ladung auch zur Ionisierung der eingebetteten Moleküle führen [7,8]. Für Atome und Moleküle, die an die Oberfläche der Tröpfchen gebunden sind, sind diese Prozesse überraschend effizient [9,10,11].

Referenzen

[1] A. C. LaForge, L. Ben Ltaief, S. R. Krishnan, N. Sisourat and M. Mudrich, Rep. Prog. Phys. 87, 126402 (2024)

[2] L. Ben Ltaief, K. Sishodia, R. Richter, B. Bastian, J. D. Asmussen, S. Mandal, N. Pal, C. Medina, S. R. Krishnan, K. von Haeften, and M. Mudrich, Phys. Rev. Research 6, 013019 (2024)

[3] L. Ben Ltaief, K. Sishodia, S. Mandal, S. De, S. R. Krishnan, C. Medina, N. Pal, R. Richter, T. Fennel, and M. Mudrich, Phys. Rev. Lett. 131, 023001 (2023) 

[4] M. Shcherbinin, A. C. LaForge, V. Sharma, M. Devetta, R. Richter, R. Moshammer, T. Pfeifer, M. Mudrich, Phys. Rev. A 96, 013407 (2017)

[5] B. Bastian, J. D. Asmussen, L. Ben Ltaief, H. B. Pedersen, K. Sishodia, S. De, S. R. Krishnan, C. Medina, N. Pal, R. Richter, N. Sisourat, M. Mudrich, Phys. Rev. Lett. 132, 233001 (2024)

[6] Molecules in Superfluid Helium Nanodroplets

[7] M. Shcherbinin, A. C. LaForge, M. Hanif, R. Richter, M. Mudrich, J. Phys. Chem. A 122, 1855-1860 (2018)

[8] A.  C. LaForge, V. Stumpf, K. Gokhberg, J. von Vangerow, F. Stienkemeier, N. V. Kryzhevoi, P. O’Keeffe, A. Ciavardini, S. R. Krishnan, M. Coreno, K. C. Prince, R. Richter, R. Moshammer, T. Pfeifer, L. S. Cederbaum, and M. Mudrich, Phys. Rev. Lett. 116, 203001 (2016) 

[9] D. Buchta, S. R. Krishnan, N. B. Brauer, M. Drabbels, P. O’Keeffe, M. Devetta, M. Di Fraia, C. Callegari, R. Richter, M. Coreno, K. Prince, F. Stienkemeier, R. Moshammer, and M. Mudrich, J. Phys. Chem. A 117, 4394 (2013)

[10] A. C. LaForge, M. Shcherbinin, F. Stienkemeier, R. Richter, R. Moshammer, T. Pfeifer, and M. Mudrich,Nature Physics 15, 247–250 (2019)

[11] L. Ben Ltaief, K. Sishodia, J. D. Asmussen, A. R. Abid, S. R. Krishnan, H. B. Pedersen, N. Sisourat and M. Mudrich, Rep. Prog. Phys. 88, 037901 (2025)