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Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

Scientific Highlights

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Gay-Lussac Humboldt price for Stephan Schlemmer

Professor Dr. Stephan Schlemmer vom I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln ist einer der zwei Preisträger des Gay-Lussac-Humboldt-Preises des Jahres 2015. In seinem Arbeitsgebiet, der Molekülphysik, erforscht er, wie sich Moleküle in Reaktionen bilden oder umwandeln. Mit Lasern oder Mikrowellen sucht er nach den spektralen Fingerabdrücken der Moleküle. Auf diese Weise hat die Forschergruppe von Professor Schlemmer bereits neue Moleküle im Labor und im Weltall entdeckt. Ziel dieser Forschung, die er auch in enger Zusammenarbeit mit französischen Kollegen durchführt, ist das Verständnis der Entstehungsgeschichte dieser Moleküle im Weltall und auf der Erde. Professor Schlemmers Steckenpferd sind hochflexible Moleküle, deren Spektren bislang kaum untersucht und wenig verstanden sind. Nach 20 Jahren Vorarbeit sind ihm und seiner Arbeitsgruppe auf diesem Gebiet in den letzten Jahren bereits mehrere Durchbrüche gelungen.

Der Gay-Lussac-Humboldt-Preis wird am 22. Januar, dem Jahrestag des Élysée-Vertrages zwischen Deutschland und Frankreich, an ausgezeichnete Forscher verliehen, die sich neben herausragender Forschung um die deutsch-französische Wissenschaftskooperation verdient gemacht haben. Der Preis ist mit 60.000 Euro dotiert und wird seit 1983 für deutsche Forscher vom französischen Bildungs- und Forschungsministerium und für französische Forscher von der Alexander von Humboldt-Stiftung vergeben.

Getting a handle on the CH5+ spectrum

Protonated methane, CH5+, fascinates chemists because it seems to break the rules. There’s no obvious place for the fifth hydrogen to bind, and so what happens is that all five hydrogens shuffle about like participants in an endless round of a musical chairs game. And yet the molecule has a vibrational
spectrum that suggests some resemblance of tighter ordering. Asvany et al. have now measured high-resolution vibrational spectra at two low temperatures (10 and 4 K). Our accompanying analysis makes headway on assigning the peaks and enhancing understanding of the molecule’s dynamic structure.

O. Asvany, K.M.T. Yamada, S. Brünken, A. Potapov, S. Schlemmer, Experimental Ground State Combination Differences of CH5+, Science 347 (2015) 1346−1349, DOI: 10.1126/science.aaa3304

Takeshi Oka wrote a perspective in Science magazine about our work:

The discovery of the infrared spectrum of H3+, a strong proton donor (acid) central in interstellar chemistry, prompted the query from George Olah to search for CH5+. This molecule is pivotal in the superacid chemistry pioneered by Olah. The molecular bonding is fluxional and its spectrum is extremely complicated, but the high-resolution ion-counting spectroscopy at 4 K and 10 K observed by Asvany et al. identify crucial CoDiffs of low-energy states.

T. Oka, Taming CH5+, the “enfant terrible” of chemical structures, Science 347 (2015) 1313−1314, DOI: 10.1126/science.aaa6935

Laboratory Rotational Spectrum of l-C3H+ and Conformation of its Astronomical Detection

The rotational spectrum of l-C3H+ has been measured in the millimeter-wave band in a 4 K cryogenic ion trap apparatus employing a novel mass-selective action spectroscopy method based on light induced reactions (LIR). Line positions of four rotational transitions (J = 2–1 up to J = 5–4) were observed with a relative precision of 3 × 10–7. The experimental transition frequencies and derived spectroscopic constants agree with those from recent astronomical observations, and unambiguously confirm the detection of this astrochemically relevant carbocation in the Horsehead photodissociation region and toward Sgr B2(N).

S. Brünken, L. Kluge, A. Stoffels, O. Asvany, and S. Schlemmer, Laboratory Rotational Spectrum of l-C3H+ and Conformation of its Astronomical Detection, ApJ 783 (2014) L4. DOI: 10.1088/2041-8205/783/1/L4

An age of at least 1 Myr for a dense cloud core forming Sun-like stars

Some models of star and planet formation in interstellar dense cloud cores predict a rapid collapse, others a slow contraction taking more than a million years. Stephan Schlemmer and colleagues used a novel variant of the hydrogen (H2) chemical clock to determine the age of the dense cloud core hosting IRAS 16293-2422 A/B, a group of nascent solar-type stars. The low-energy rotational lines of the deuteronated molecule H2D+ are observable at radio wavelengths and can be used to determine the ratio of ortho to para spin isomers of H2D+, which evolves monotonically with time under conditions in the cloud. In line with previous results based on the N2H+ clock, the authors estimate an age of about one million years for star-forming dense cores, rather than 100,000 years of the rapid-collapse model.

S. Brünken, O. Sipilä, E.T. Chambers, J. Harju, P. Caselli, O. Asvany, C.E. Honingh, T. Kamiński, K.M. Menten, J. Stutzki, and S. Schlemmer, An age of at least 1 Myr for a dense cloud core forming Sun-like stars. Nature 516 (2014) 219–221 DOI:10.1038/nature13924

Two photon rotational action spectroscopy of cold OH at 1 ppb accurac

The fundamental rotational transition J = 1←0 of the anion OH has been measured by cooling mass-selected OH ions to 10 K in a 22-pole ion trap and applying a novel rotational-rovibrational two-photon scheme. A transition frequency of (1123101.0410 ± 0.0014)  MHz was obtained with so far unprecedented accuracy. The general application of the presented action-spectroscopy scheme to other anions and cations is discussed.

P. Jusko, O. Asvany, A.-C. Wallerstein, S. Brünken, S. Schlemmer, Two photon rotational action spectroscopy of cold OH at 1 ppb accuracy, Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 253005 DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.253005

Laborspektroskopie und die Entdeckung von iso-Propylcyanid im All

Die Identifizierung neuer Moleküle im All setzt die Kenntnis von genügend genauen Frequenzen und Intensitäten voraus, die in der Regel aus Labormessungen stammen. Für die die erstmalige Entdeckung eines Moleküls mit verzweigten Kohlenstoffkette im All, nämlich iso-Propylcyanid, waren dies vor allem Messungen bei Millimeter- und Submillimeterwellenlängen in Köln. Darüber hinaus wurden Molekularstrahlmessungen im Mikrowellenbereich an der Universität in Hannover gemacht um vor allem das korrekte Dipolmoment zu bestimmen. Vor diesen Messungen war das Rotationspektrum von iso-Propylcyanid nur sehr rudimentär und unzureichend bekannt. Außerdem war eine der zwei von Null verschiedenen Dipolmomentkomponenten sehr falsch.

Mitteilung auf der Institutsseite.
Pressemitteilungen des MPIfR in Bonn und der Universität zu Köln.
H. S. P. Müller, A. Coutens, A. Walters, J.-U. Grabow und S. Schlemmer, Rotational Spectroscopy, Dipole Moment and 14N Nuclear Hyperfine Structure of iso-Propyl Cyanide, J. Mol. Spectrosc. 267 (2011) 100–107; Vorabdruck bei astro-ph.

Laboratory spectroscopy and the discovery of iso-propyl cyanide in space

The Identification of new molecules in space requires knowledge of sufficiently accurate frequencies and intensities, which are usually determined from laboratory measurements. Laboratory measurements at millimeter and submillimeter wavelengths in Cologne were instrumental for the first detection of a molecule with branche carbon backbone in space, iso-propyl cyanide. In addition, molecular beam measurements in the microwave region were carried out at the university of Hannover, mainly to determine the correct dipole moment of the molecule. Prior to these measurements, the rotational spectrum of iso-propyl cyanide was know insufficiently. Moreover, one of the two non-zero dipole moments components was very wrong.

Notice on the web page of the institute.
Press release of the MPIfR in Bonn.
H. S. P. Müller, A. Coutens, A. Walters, J.-U. Grabow, and S. Schlemmer, Rotational Spectroscopy, Dipole Moment and 14N Nuclear Hyperfine Structure of iso-Propyl Cyanide, J. Mol. Spectrosc. 267 (2011) 100–107; preprint at astro-ph.

Die Entdeckung von TiO2 im All: Laborspektroskopie schafft die Voraussetzung

Eine internationale Gruppe von Astronomen, unter ihnen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, von der Universität zu Köln und vom Center for Astrophysics in Cambridge, MA, haben Titandioxid, TiO2, zum ersten Mal im All entdeckt. Die Entdeckung gelang mit Hilfe von Radiointerferometern in den USA und in Frankreich bei Untersuchungen des Riesensterns VY Canis Majoris im Sternbild Großer Hund. Außerdem wurde Titanmonoxid (TiO) zum ersten Mal bei diesen Frequenzen entdeckt.

Die Voraussetzung für die Entdeckung von TiO2 bei Frequenzen zwischen 220 und 350 GHz wurden erst durch voran gehende Laboruntersuchungen geschaffen. Diese beinhalteten die Untersuchungen von S. Brünken et al., "The Pure Rotational Spectrum of Titanium Dioxide, TiO2", Astrophys. J. 676 (2008) 1367–1371 mit Hilfe der Fourier-Transform Mikrowellen-Spektroskopie zwischen 7 und 42 GHz an der Harvard University und von P. Kania et al., "Millimeter-Wave Spectroscopy of Titanium Dioxide, TiO2", J. Mol. Spectrosc. 268 (2011) 173–176 basierend auf Labormessungen zwischen 248 und 345 GHz an der Universität zu Köln.

TiO2 ist auf der Erde als der Hauptbestandteil des wichtigen Pigments Titanweiß bekannt. Es kommt auch in Sonnencremes vor und wird als Lebensmittelfarbstoff (E171) benutzt. Während markante atmosphärische Absorptionslinien von TiO bereits vor mehr als 100 Jahren in optischen Spektren von M- und S-Sternen entdeckt wurden und zur Klassifizierung dieser Sterne dienen, war TiO2 bisher noch nicht im Weltall bekannt. Es wird allerdings vermutet, dass Cluster von Titanoxiden als "Kondensationskerne" für interstellaren Staub dienen.

Beobachtungen von TiO und TiO2 können deshalb wichtige Hinweise auf die Entstehung von Staubpartikeln im All geben; dieser Prozess ist zur Zeit weit davon entfernt verstanden zu sein. Interstellarer Staub macht zwar ein bis allenfalls wenige Prozent der Materie im All aus, ist aber sehr wichtig für die Bildung vieler Moleküle, unter ihnen H2 und komplexere organische Moleküle. Die katalytischen Eigenschaften von festem TiO2 sind vermutlich wichtig in der Astrochemie. Siehe auch den Bericht auf der News-Seite des Instituts oder den wissenschaftlicher Artikel von T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art.-Nr. A113.

Siehe auch die Pressemitteilung des MPIfR.

(HSPM, SBr 2013-03-13)

The detection of TiO2 in space: laboratory spectroscopy lays the foundation

An international team of astronomers, including researchers from the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, from the Universität zu Köln, and from the Center for Astrophysics in Cambridge, MA, discovered titanium dioxide, TiO2, for the first time in space. The detection was made in the course of the investigation of the giant star VY Canis Majoris in the constellation Greater Dog using radio telescope arrays in the USA and in France. In addition, titanium monoxide (TiO) was detected at these frequencies for the first time.

The foundation for the detection of TiO2 at frequencies between 220 and 355 GHz was laid by the laboratory studies of S. Brünken et al., "The Pure Rotational Spectrum of Titanium Dioxide, TiO2", Astrophys. J. 676 (2008) 1367–1371 using Fourier transform microwave spectroscopy between 7 and 42 GHz at Harvard University and of the P. Kania et al., "Millimeter-Wave Spectroscopy of Titanium Dioxide, TiO2", J. Mol. Spectrosc. 268 (2011) 173–176 between 248 and 345 GHz at the Universität zu Köln.

TiO2 is known on Earth as the main ingredient of the important white pigment "titanium white". It is also contained in sun block and is used for food coloring (E171). Whereas optical spectra of M- and S-stars show prominent atmospheric absorption lines of TiO, which were detected more than 100 years ago and which are used to classify these stars, TiO2 had so far not been detected in space. It is believed, however, that clusters of titanium oxides act as "seeds" for interstellar dust.

Observations of TiO and TiO2 may thus provide important clues on the dust formation process in space, which still is far from being well understood. Interstellar dust, though a minor constituent, is very important for the formation of many molecules in space, among them H2 and complex organic molecules. The catalytic properties of bulk TiO2 are likely important in astrochemistry. See also the report in the News section of the institute or the scientific article by T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art. No. A113..

See also the press release by the MPIfR.

(HSPM, SBr 2013-03-13)

Zwei neue, hoch komplexe Moleküle im Weltraum entdeckt

Eine Gruppe von Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, vom I. Physikalischen Institut in Köln und von der Cornell Univestercyanidersity in Ithaka (USA) gelang die Entdeckung gleich zweier neuer Moleküle, die zu den komplexesten zählen, die bislang im Weltall nachgewiesen wurden. Es handelt sich um n-Propylcyanid (C3H7CN), dem dritten Alkylcyanid nach Methyl- und Ethylcyanid, und um Ethylformiat (C2H5OCHO), dem zweiten Ester nach Methylformiat. Ester tragen zum Aroma vieler Stoffe bei; Ethlyformiat ist ein wichtiger Bestandteil des Aromas von u. a. Himbeeren und Rum.

Das IRAM-30m-Teleskop wurde benutzt, um Radiostrahlung des Sternentstehungsgebiets Sagittarius B2 in der Nähes des Zentrums unsrer Milchstraße im 3mm-Frequenzbereich aufzunehmen. Von insgesamt etwa 3700 aufgenommenen Spektrallinien konnten 36 diesen beiden zugeordnet werden.

Bereits kurz vorher hatte die Gruppe über die erstmalige Entdeckung von Aminoacetonitril berichtet, welches einen möglichen Vorläufer der Aminosäure Glycin (Aminoessigsäure) darstellt.

Pressemitteilung des MPIfR

A. Belloche et al., A&A 499, 215-232 (2009)

(2009-04)

 

Morino Lecturer 2009

The Morino foundation has selected and invited Prof. Dr. Stephan Schlemmer to Japan as a Morino lecturer for 2009. The lecture series will be held in May 2009 and comprise visits of Toyama, Nagoya University, Okayama University, Kyushu University (Hakata/Fukuoka), Hiroshima City University, and University of Tokyo. As part of the visit the "9th Symposium on Molecular Spectroscopy" will be held in Toyama University which most of the Japanese high-resolution spectroscopists will attend.

(2008-12)

 

Oliver Baum has been awarded with the "Josef Pliva Prize"

At the "20th International Conference on High Resolution Spectroscopy", Prague (2008), Oliver Baum has been awarded with the Josef Pliva Prize. The Josef Pliva Prize is conferred to the most outstanding contriburtion of a student or recent PhD. This award emphasizes the scientific significance of the studies performed on the HSOH molecule.

related Paper: O. Baum et al., J. Chem. Phys. 129, Art. No. 224312 (2008)

(2008-09)

 

Guest Professorship of Prof. Dr. Stephan Schlemmer at Universite Paul Sabatier (Toulouse III)

Stephan Schlemmer has been awarded a guest professorship at the Universite Paul Sabattier at Toulouse. The research visit in March and June 2009 will involve a continuation of the long time collaboration with Prof. Christine Joblin on ion trapping and spectroscopy of PAHs. Also a collaboration with Prof. Adam Walters on the spectroscopy of complex molecules will be continued.

(2008-09)

 

Rotational Study of Carbon Monoxide Solvated with Helium Atoms

High resolution microwave and millimeter-wave spectra of HeN–CO clusters with N up to 10, produced in a molecular expansion, were observed. Two series of J = 1 – 0 transitions were detected, which correspond to the a-type and b-type J = 1 – 0 transitions of He1–CO. The B rotational constant initially decreases with N and reaches a minimum at N = 3. Its subsequent rise indicates the transition from a molecular complex to a quantum solvated system already for N = 4. For N > 5, the B-value becomes larger than that of He1–CO, indicating an almost free rotation of CO within the helium environment.

Surin et al., Phys. Rev. Lett. 101, Art. No, 233401 (2008)

(2008-07)

 

Laserinduzierte Reaktionen zum ersten Mal fuer Rotationsspektroskopie genutzt 

Die Methode der laserinduzierten Reaktion wurde zum ersten Mal genutzt um Rotationsübergänge zu messen. Die J = 1 - 0 Übergänge der interstellar sehr wichtigen Ionen H2D+ und HD2+ bei 1,370 und bei 1,477 THz wurden mit sehr hoher Genauigkeit vermessen. Dabei stellte sich heraus, dass der in der Literatur kursierende Wert für H2D+ um etwa 61 MHz falsch war.

Diese Methode ist fuer die Untersuchung von Infrarotspektren gut bekannt. Der Einsatz in der Rotationsspektroskopie stellt dennoch etwas Besonderes dar, da die Energieunterschiede sehr viel kleiner sind als in der Infrarotspektroskopie.
 

Pressemitteilung der Uni Koeln

Asvany et al., Phys. Rev. Lett. 100, 233004 (2008)

(2008-06)

 

Superlattice Devices for High-Resolution THz Spectroscopy

Frequency multipliers based on superlattice devices as nonlinear elements have been developed as radiation sources for a THz laboratory spectrometer. Input frequencies of 100 and 250 GHz are multiplied up to the 17th harmonic. The present record in high frequencies is 3.1 THz. Even at these high frequencies the output power is sufficient for laboratory spectroscopy. Superior features of this new device are very high line frequency accuracies, broadband tunability, high output power levels and a robust applicability.

Endres et al., Rev. Sci. Instrum. 78, Art. No. 043106 (2007)

 

High-Resolution Overtone Spectroscopy of H2D+

The method of laser induced reaction (LIR) is used to obtain high-resolution IR spectra of H2D+ and D2H+ in collision with H2 at a nominal temperature of 17 K. 27 new overtone and combination transitions have been detected for H2D+ and D2H+, as well as a weak line in the ν1 vibrational band of H2D+ (220 ← 101) at 3164.118 cm-1. The line positions are compared to high accuracy ab initio calculations. Small but mode-dependent differences are observed. Within the experimental accuracy, the relative values of the ab initio predicted Einstein B coefficients are confirmed.

Asvany et al., J. Chem. Phys 127, Art. No. 154317 (2007)

 

High-Resolution IR Spectra of linear C7

High resolution infrared spectra of the ν4 fundamental antisymmetric stretching mode and associated hot bands of the linear carbon cluster C7 are recorded using a tunable diode laser spectrometer in the frequency range of 2135 to 2141 cm-1. Experimental evidence for the rigidity of C7 confirms theoretical predictions, similar to the cases of C4, C5, and C9. For the two energetically low-lying bending modes, ν8 and ν11, the rotational constants are in good agreement with the recent calculations. From hot band analysis and the l-type doubling constant q, experimental values for the band origins of the ν8 and ν11 are derived.

Neubauer-Guenther et al., J. Chem. Phys. 127, Art.-No. 014313 (2007)