An der ISOLDE-Anlage des CERN wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Elektronenaffinität entwickelt. Sie ermöglicht Untersuchungen mit sehr kleinen Mengen an Atomen – ein entscheidender Vorteil bei superschweren Elementen, die nur in winzigen Mengen und mit geringer Stabilität hergestellt werden können. Die Greifswalder Doktorandin Dr. Franziska Maier war an den Experimenten massgeblich beteiligt.
Chemische Eigenschaften am Rand des Periodensystems
Die Elektronenaffinität zählt zu den grundlegenden Eigenschaften eines Elements. Sie gibt an, wie viel Energie frei wird, wenn ein Atom ein zusätzliches Elektron aufnimmt. Für instabile Elemente am äusseren Ende des Periodensystems sind solche Messungen besonders schwierig, da herkömmliche Verfahren eine grosse Zahl an Anionen voraussetzen.
Ionenfalle als Basis für die neue Methode
Superschwere Elemente lassen sich in Teilchenbeschleunigern nur in sehr kleinen Mengen erzeugen. Daher wurde die neue Methode zunächst mit stabilen Chlor-Anionen erprobt.
«Trotz der Verwendung von hunderttausendmal weniger Chlor-Anionen erreicht unsere neuartige MIRACLS-Methode die gleiche Messgenauigkeit wie herkömmliche Verfahren, bei denen die Anionen den Laserstrahl nur einmal passieren. Die Verbesserung beruht auf den etwa sechzigtausend Durchgängen derselben Ionen», erklärt Dr. Franziska Maier, Hauptautorin der Studie.
Die Chlor-Anionen werden im Multi-Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS) eingefangen und zwischen zwei elektrostatischen Ionenspiegeln reflektiert. Der Laserstrahl kann die Ionen dadurch tausendfach abtasten, was präzise Messungen auch bei sehr niedrigen Teilchenzahlen ermöglicht.
Einordnung durch die beteiligten Forschungsteams
Die Messungen wurden im Rahmen von Maiers Promotion an der Universität Greifswald durchgeführt. Prof. Dr. Lutz Schweikhard betont das wissenschaftliche Potenzial: «Über die Elektronenaffinitäten sollen diese Effekte mit der neuen Messmethode untersucht werden.»
Die Arbeitsgruppe verfügt über umfangreiche Erfahrung mit Ionenspeichertechnologien. Bereits vor Jahren wurde ein Flugzeitmassenspektrometer nach dieser Bauart vom Greifswalder Team entwickelt und am CERN eingesetzt. Die nun verwendete Ionenfalle stammt ebenfalls aus Greifswald und wurde vor Ort durch das internationale MIRACLS-Team unter der Leitung von Dr. Stephan Malbrunot-Ettenauer weiterentwickelt.
Anwendungen über die Grundlagenforschung hinaus
Die Forschenden sehen mögliche Anwendungsfelder in der Untersuchung seltener Elemente, insbesondere solcher mit potenzieller medizinischer Bedeutung. Actinium und Astat gelten als vielversprechend für die Entwicklung chemischer Verbindungen zur Anwendung in Krebstherapien. Darüber hinaus könnte die Methode zur Bestimmung der Elektronenaffinitäten von Molekülen eingesetzt werden, die für theoretische Berechnungen in der Antimaterieforschung und bei radioaktiven Molekülen relevant sind.
Literatur
Maier, F.M., Leistenschneider, E., Au, M. et al. Enhanced sensitivity for electron affinity measurements of rare elements. Nat Commun 16, 9576 (2025).