Supertunga grundämnen är spännande kärn- och atomära kvantsystem som utmanar experimentell sondering eftersom de inte förekommer i naturen och, när de syntetiseras, försvinna inom några sekunder. Att driva framkanten av atomfysikforskningen till dessa element kräver banbrytande utveckling mot snabba atomspektroskopitekniker med extrem känslighet. En gemensam satsning inom EU:s Horizon 2020 Research and Innovation-program och ledd av Dr Mustapha Laatiaoui från Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) kulminerade i ett optisk spektroskopiförslag:Den så kallade Laser Resonance Chromatography (LRC) borde möjliggöra sådana undersökningar t.o.m. vid små produktionskvantiteter. Förslaget har nyligen publicerats i två artiklar i Fysiska granskningsbrev och Fysisk granskning A .

Superheavy element (SHEs) finns i den nedre delen av det periodiska systemet för grundämnen. De representerar en grogrund för utvecklingen av förståelse för hur sådana exotiska atomer kan existera och fungera när ett överväldigande antal elektroner i atomskal och protoner och neutroner i kärnan samlas. Insikter i deras elektroniska struktur kan erhållas från optiska spektroskopiexperiment som avslöjar elementspecifika emissionsspektra. Dessa spektra är kraftfulla riktmärken för moderna atommodellberäkningar och kan vara användbara, till exempel, när det gäller att söka efter spår av ännu tyngre grundämnen, som kan skapas vid sammanslagningar av neutronstjärnor.

LRC:s tillvägagångssätt kombinerar olika metoder

Även om SHE upptäcktes för decennier sedan, deras undersökning med optiska spektroskopiverktyg hamnar långt efter syntesen. Detta beror på att de produceras till extremt låga priser där traditionella metoder helt enkelt inte fungerar. Än så länge, optisk spektroskopi slutar vid nobelium, element 102 i det periodiska systemet. "Nuvarande tekniker är på gränsen för vad som är genomförbart, " förklarade Laatiaoui. Från och med nästa tyngre element, de fysikalisk-kemiska egenskaperna förändras plötsligt och hindrar provtagning i lämpliga atomära tillstånd."

Tillsammans med forskarkollegor, fysikern har därför utvecklat den nya LRC-metoden inom optisk spektroskopi. Detta kombinerar elementselektivitet och spektral precision för laserspektroskopi med jonmobilitetsmasspektrometri och förenar fördelarna med en hög känslighet med "enkelheten" hos optisk sondering som i laserinducerad fluorescensspektroskopi. Dess nyckelidé är att detektera produkterna från resonansoptiska excitationer, inte på basis av fluorescerande ljus som vanligt, men baserat på deras karakteristiska drifttid till en partikeldetektor.

I sitt teoretiska arbete, forskarna fokuserade på enkelladdat lawrencium, element 103, och på dess lättare kemiska homolog. Men konceptet erbjuder oöverträffad tillgång till laserspektroskopi av många andra monoatomiska joner över det periodiska systemet, i synnerhet övergångsmetallerna inklusive de eldfasta högtemperaturmetallerna och element bortom lawrencium. Andra joniska arter som trefaldigt laddat torium ska också vara inom räckhåll för LRC-metoden. Dessutom, Metoden gör det möjligt att optimera signal-brus-förhållanden och därmed underlätta jonmobilitetsspektrometri, statligt vald jonkemi, och andra applikationer.

Dr. Mustapha Laatiaoui kom till Johannes Gutenberg University Mainz och Helmholtz Institute Mainz (HIM) i februari 2018. I slutet av 2018, han fick ett ERC Consolidator Grant från European Research Council (ERC), ett av Europeiska unionens mest värdefulla finansieringsbidrag, för sin forskning om de tyngsta grundämnena med hjälp av laserspektroskopi och jonmobilitetsspektroskopi. I de aktuella publikationerna fanns även arbeten som Laatiaoui tidigare utfört vid GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt och vid KU Leuven i Belgien.