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Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

Professor Dr. Stephan Schlemmer erhält Gay-Lussac-Humboldt-Preis 2015

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.

Stephan Schlemmer wurde 1991 am Max-Planck Institut für Strömungsforschung in Göttingen promoviert und mit der Otto-Hahn-Medaille ausgezeichnet. Nach den Stationen Berkeley (USA), Chemnitz und Leiden (NL) ist er seit 2004 Professor für Experimentalphysik am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln.

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.

Pressemitteilung der Universtät zu Köln

Pressemitteilung des französichen Ministère de l'Education nationale

Webseite der Arbeitsgruppe Prof. Schlemmer

(OAs, SBr, STh 2016-01-16)

Measurement of a very accurate transition frequency (1 ppb) of an anion by action spectroscopy

P. Jusko, O. Asvany, A.-C. Wallerstein, S. Brünken, and S. Schlemmer
report in this weeks Physical Review Letters on
Two-Photon Rotational Action Spectroscopy of Cold OH at 1 ppb Accuracy.

An IR-THz double-resonance light induced reaction (LIR) depletion technique was employed to record the fundamental rotational transition J = 1 – 0 of OH near 1.123 THz in a 4 K 22-pole ion trapping machine with an accuray of 1.4 kHz or about one part in a billion. An improvement in accuracy of more than two orders of magnitude was achieved with respect to the previous laboratory measurement.

The article was highlighted as editors' suggestion in PRL.

(hspm 2014-06-27)

Ein neues doppelt deuteriertes Molekül im All gefunden

Deuterierte Moleküle sind bekannt als wichtige Indikatoren für frühe Stadien der Sternentstehung. Auch wenn das atomare Verhältnis von  D zu H im All lediglich etwa 1.5 × 10−4 ist, wurden bislang einige doppelt deuterierte und sogar zwei dreifach deuterierte Moleküle (CD3OH, ND3) gefunden, wozu eine enorme Deuteriumanreicherung notwendig ist. Bislang ist es entweder nicht sicher, ob diese Moleküle in der Gasphase gebildet werden oder auf Staubteilchen, oder ihre Bildung auf Staubteilchen gilt als gesichert. Im Gegensatz dazu wird vermutet, dass c-C3H2 und seine deuterierten Isotopologe ausschließlich durch Gasphasenreaktionen gebildet werden.

Nach dem Abschluss laborspektroskopischer Untersuchungen, haben wir, eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, unter ihnen Mitglieder des Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der Universität zu Köln und des Center for Astrophysics in Cambridge, MA, c-C3D2 mit Hilfe des IRAM 30m Radioteleskops entdeckt in Richtung der sehr kalten (~10 K) sternlosen Molekülwolken TMC-1C und L1544, beide im Sternbild Stier. Drei Rotationübergänge wurden im 3mm-Bereich mit sehr gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemessen. Die Häufigkeit des doppelt deuterierten Zyklopropenyliden im Verhältnis zur Normalspezies ist etwa 0.6 % in TMC-1C und etwa 1.5 % in L1544.

Die Wechselwirkung zwischen Gasphasenreaktionen und solchen an Staubteilchen bei der Deuterierung interstellarer Moleküle ist bislang nicht klar. Zum Teil ist dies darauf zurückzuführen, dass es nur wenige Indikatormoleküle gibt, um Modellvorstellungen zu testen. c-C3D2 ist hierfür besonders geeignet, denn seine Bildungsreaktionen stellen wichtige Randbedingungen für die Gasphasendeuterierung dar und legen nahe, dass c-C3D2 als chemische Uhr benutzt werden kann.

Wissenschaftlicher Artikel: S. Spezzano et al., Astrophys. J. 769 (2013) Art. No. L19.


A new doubly deuterated molecule found in space

Deuterated molecules are known as important probes for the early stages of star formation. Even though the atomic D/H ratio in space is only about 1.5 × 10−4, some doubly and even two triply deuterated molecules (CD3OH, ND3) have been found thus far, requiring an enormous deuterium enrichment. Thus far, it was either uncertain if the molecules would be formed in the gas phase or on grain particles, or their formation on grain surfaces was viewed as secure. In contrast, c-C3H2 and its deuterated isotopologues are believed to form solely by gas phase reactions.

After having performed laboratory spectroscopic investigations quite recently, we, an international group of scientists, including members from the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, from the Universität zu Köln, and from the Center for Astrophysics in Cambridge, MA, have detected c-C3D2 toward the very cold (~10 K) starless cores TMC-1C and L1544, both in the constellation of Taurus, using the IRAM 30m radio telescope. Three rotational transitions in the 3 mm range have been observed in both sources with high signal to noise ratio. The abundance of doubly deuterated cyclopropenylidene with respect to the normal species is about 0.6 % in TMC-1C and about 1.5 % in L1544.

The interplay between gas phase and grain surface reactions in the deuteration of interstellar molecules is not clear thus far, partially because there are not many probes available for testing the models: c-C3D2 is an ideal molecule for this purpose. Its formation mechanism puts important constraints on gas-phase deuteration models, and suggests the possibility of using c-C3D2 as a chemical clock.

Scientific article: S. Spezzano et al., Astrophys. J. 769 (2013) Art. No. L19.
(SSp, HSPM 2013-05-16)

Sonnenschutz für den Großen Hund

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 zwei Titanoxide, TiO und TiO2, bei Radiowellenlängen mit Hilfe von Radiointerferometern in den USA und Frankreich entdeckt.

Markante atmosphärische Absorptionslinien von TiO wurden in optischen Spektren von M- und S-Sternen bereits vor mehr als 100 Jahren entdeckt und dienen zur Klassifizierung dieser Sterne. TiO2 wurde zum ersten Mal im All entdeckt. Hier auf Erden ist es der Hauptbestandteil des wichtigen Pigments Titanweiß, kommt auch in Sonnencremes vor und wird als Lebensmittelfarbstoff (E171) benutzt.

Die Spekrallinien von TiO und TiO2 wurden als Emissionslinien in Richtung des M-Riesensterns VY Canis Majoris im Sternbild Großer Hund gesehen. Es handelt sich um einen veränderlichen Stern des Mira-Typs, einer späten Phase der Sternentwicklung. Dieser Stern wird als Supernova explodieren. Wissenschaftler vermuten, dass die Pulsation der Mira-Sterne durch chemische und physikalische Prozesse hervor gerufen werden, bei denen TiO eine große Rolle spielt. Dass die Moleküle in Emission gesehen wurden, deutet darauf hin, dass beide in der kühlen zirkumstellaren Hülle des Sterns vorkommen, wo diese Moleküle eigentlich auf Staubkörnern kondensiert sein sollten. Anscheinend verbleiben genügend große Anteile beider Moleküle in der Gasphase, so dass sie bei Radiowellenlängen entdeckt werden konnten.

Beobachtungen von TiO und TiO2 könnten daher 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.

Pressemitteilung des MPIfR.

Wissenschaftlicher Artikel: T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art.-Nr. A113.
Der Artikel wurde als Highlight der Woche bei Astron. Astrophys. heraus gestellt.
Beschreibung der Entdeckung auf der Internetseite Molecules in Space der CDMS.
Siehe auch die Mitteilung auf der Seite Scientific Highlights der Laborspektroskopiegruppe.
idw-Informationsdienst Wissenschaft


Sun block for the Greater Dog

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 two titanium oxides, TiO and TiO2, at radio wavelengths using telescope arrays in the USA and in France.

Optical spectra of M- and S-stars show prominent atmospheric absorption lines of TiO, which have been known for more than 100 years and which are used to classify these stars. TiO2 had not been observed in space before. Here on Earth, it is the main ingredient of the important white pigment "titanium white", is contained in sun block, and is used for food coloring (E171).

The spectral lines of TiO and TiO2 were seen in emission toward the giant M-star VY Canis Majoris in the constellation "Greater Dog". It is a late-type variable star of the Mira type; its fate is to explode as a supernova. The pulsation of Mira stars is thought to be caused by chemical and physical processes in the stallar atmosphere which involve TiO. It is interesting to note that the lines are seen in emission as this observation indicates that both molecules are present also in the cool circumstellar envelope (CSE) of the star where TiO and TiO2 were thought to be condensed onto dust grains. Apparently, enough of either molecule remains in the gas phase that they could be detected at radio wavelengths.

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 the H2 and complex organic molecules. The catalytic properties of bulk TiO2 are likely important in astrochemistry.

Press release by the MPIfR.

Scientific article: T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art. No. A113.
The article was marked as Highlight of the week by Astron. Astrophys.
Documentation of the discovery on the web page Molecules in Space of the CDMS.
See also the report on the Scientific Highlights page of the laboratory spectroscopy group.
(HSPM, SBr 2013-03-13)

Wählerisches Deuterium

CH5+Die Isotopensubstitution in protoniertem Methan, einem Modellsystem für nichtklassische chemische Bindungen, hat einen unerwarteten Symmetriebruch zur Folge. Die Natur des CH5+ und seine Isotopologen wird in Speicherexperimenten am Institut mittels IR-Spektroskopie untersucht. Neueste Ergebnisse sind bei Nature Chemistry erschienen (S. D. Ivanov, O. Asvany, A. Witt, E. Hugo, G. Mathias, B. Redlich, D. Marx und S. Schlemmer, Nature Chemistry 2, 298 (2010)).

Die Ergebnisse werden durch einen "Brennpunkt" im neusten Physik-Journal (5/2010) durch Prof. G. Niedner-Schatteburg gewürdigt.

Pressemitteilung der Universität zu Köln.

(ssc 2010-05-10)

Zwei neue, hoch komplexe Moleküle im Weltraum entdeckt

estercyanid Eine Gruppe von Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, vom I. Physikalischen Institut in Köln und von der Cornell University 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)

(hspm, 2009-04)

Laserinduzierte Reaktionen zum ersten Mal für 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 für 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 Köln

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

(2008-06)