HELMHOLTZ-PREIS 2016 (Preisverleihung am 22.06.2016)
PD Dr. Till Nikolaij Jahnke, Prof. Dr. Reinhard Dörner, Dr. Jörg Voigtsberger, Stefan Zeller, Dr. Maksim Kunitski für die Arbeit "Vermessung der Bindungsenergien von molekularen Quanten-Halos mit neV-Präzision"

Preisträger 2016: Messung extrem schwacher Bindungsenergien in Helium-Molekülen

(v.l.n.r.) Dr. Nathalie von Siemens, PD Dr. Till Nikolaij Jahnke, Prof. Dr. Reinhard Dörner, Dr. Jörg Voigtsberger, Stefan Zeller, Dr. Maksim Kunitski, Prof. Dr. Joachim Ullrich

Till Nikolaij Jahnke wurde 1977 in Frankfurt am Main geboren. 2002 nach dem Studium der Physik und der Informatik promovierte er 2005 an der Universität Frankfurt. 2009 erhielt er den Röntgenpreis der Universität Gießen, 2013 folgte der IUPAP Young Scientist Prize und die Habilitation an der Universität Frankfurt. Seither lehrt er dort als Privatdozent. Seine Arbeiten wurden 2014 mit dem Gustav-Hertz-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und 2016 mit dem Helmholtz-Preis ausgezeichnet.

Reinhard Dörner wurde 1961 geboren. Er studierte Physik und Philosophie in Frankfurt und Aachen. Diplom in Physik 1988 und Promotion 1991 an der JWG Universität Frankfurt. 1995-98 Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley USA. Feodor Lynen Stipendium der Humboldt Stiftung und Habilitanden Stipendium der DFG. 1998 Habilitation an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt danach Heisenberg Stipendium der DFG. Seit 2002 Professor am Institut für Kernphysik der Universität Frankfurt.

Jörg Voigtsberger wurde 1984 in Frankfurt am Main geboren. Sein Diplom in Physik erhielt er 2009 an der Universität Frankfurt, an der er im März 2015 auch promoviert wurde. Seit Juni 2015 arbeitet er bei der Werth Messtechnik GmbH als Assistent der Entwicklungsleitung und Projektleiter Bildverarbeitung und Vorentwicklung.

Stefan Zeller, geboren 1986 in Frankfurt am Main, erlangte 2012 seinen Masterabschluss in Physik und promoviert seitdem zum Thema "Ionizing quantum halos with virtual and real photons" an der Goethe-Universität in Frankfurt.

Maksim Kunitski wurde 1980 in Lesnoj in Weißrussland geboren. 2002 nach dem Abschluss des Studiums zum Dipl. Ing. Physiker an der Weißrussischen Staatlichen Universität in Minsk wurde er 2009 an der Goethe-Universität in Frankfurt promoviert. Seit seiner Promotion arbeitet er als PostDoc am Institut für Kernphysik an der Universität in Frankfurt.

Helium ist ein Edelgas und sollte nach Meinung der Standardlehrbücher der Chemie keine Bindung mit anderen Atomen eingehen. Dass dies manchmal trotzdem geschieht, ist schon länger bekannt. Nun ist es der Forschergruppe um Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main weltweit erstmals gelungen, zweiatomige Helium-Dimere (He2) und dreiatomige Helium-Trimere (He3) zu erzeugen und deren Bindungsenergien präzise zu messen. Für ihre Arbeit "Vermessung der Bindungsenergien von molekularen Quanten-Halos mit neV-Präzision" erhielten Maksim Kunitzki, Stefan Zeller, Jörg Voigtsberger, Till Jahnke und Reinhard Dörner den mit 20.000 € dotierten Helmholtz-Preis 2016 in der Kategorie "Präzisionsmessung in der Grundlagenforschung in den Bereichen Physik, Chemie und Medizin.

Die Bindungen zwischen den beiden Heliumatomen sind in He2 nur ein Zehnmillionstel so stark wie in typischen Molekülen wie Wasser oder Wasserstoff. Die Bindungsenergie für das Helium-Dimer beträgt nach den Messungen der Preisträger 151,9 ± 13,3 neV, die für das Helium-Trimer, ein Komplex aus drei gebunden Helium Atomen,  236 ± 23 neV. Die Frankfurter Forscher bestätigten weiterhin eine ungewöhnliche Dreierstruktur (Efimov-Zustand) des He3-Moleküls, die bereits vor fast 40 Jahren von dem russischen Forscher Vitaly Efimov theoretisch vorhergesagt wurde. Für die Messung der extrem geringen Bindungsenergien näherten sich die Forscher mit einem Trick, indem sie die Moleküle gezielt zerstören und aus den Fragmenten Rückschlüsse auf die Bindungsenergie ziehen.

Die damit experimentell bestätigten Werte sind für die Metrologie bei tiefen Temperaturen von großer Bedeutung. Die Realgaseigenschaften, u. a. die thermische Leitfähigkeit, die Viskosität oder die dielektrischen Eigenschaften von Helium bei Temperaturen unterhalb weniger Kelvin können nun wesentlich genauer theoretisch berechnet und mit präzisen Messungen verglichen werden.

Literatur

M. Kunitski, S. Zeller, J. Voigtsberger, A. Kalinin, L. Ph. H. Schmidt, M. Schöffler, A. Czasch, W. Schöllkopf, R. E. Grisenti, T. Jahnke, D. Blume and R. Dörner:
Observation of the Efimov state of the helium trimer. Science, 348, 551 (2015)

J. Voigtsberger, S. Zeller, J. Becht, N. Neumann, F. Sturm, H.-K. Kim, M. Waitz, F. Trinter M. Kunitski, A. Kalinin, J. Wu, W. Schöllkopf, D. Bressanini, A. Czasch, J. B. Williams, K. Ullmann-Pfleger, L. Ph H. Schmidt, M. S. Schöffler, R. E. Grisenti, T. Jahnke, and R. Dörner: Imaging the structure of the trimer systems 4He3 and 3He4He2. Nature Communications, 5, 5765 (2014)

S. Zeller, M. Kunitski, J. Voigtsberger, A. Kalinin, A. Schottelius, C. Schober, M. Waitz, H. Sann, A. Hartung, T. Bauer, M. Pitzer, F. Trinter, C. Goihl, C. Janke, M. Richter, G. Kastirke, M. Weller, A. Czasch, M. Kitzler, M. Braune, R. E. Grisenti, W. Schöllkopf, L. Ph. H. Schmidt, M. Schöffler, J. B. Williams, T. Jahnke, R. Dörner: Imaging the He2 quantum halo state using a free electron laser. arXiv:1601.03247 (2016)