Alternating-gradient focusing of large neutral molecules

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Molekularstrahlexperiment aufgebaut, das es erlaubt, große neutrale polare Moleküle zu fokussieren und zu transportieren. Die Fokussierung basiert auf der Stark-Wechselwirkung der Moleküle mit zeitlich veränderlichen inhomogenen elektrischen Feldern unter Anwendung der Methode der alternierenden Gradienten (AG). Ziel war es, den Transport durch die elektrischen Felder auf Moleküle mit einem Masse-zu- Dipolmoment-Verhältnis (m/μ) innerhalb einer schmalen Bandbreite zu beschränken, analog zur Selektion von Ionen mit bestimmten Masse-zu-Ladungs- Verhältnissen (m/q) im Quadrupolmassenspektrometer. Für die Charakterisierung des Aufbaus wurde ein gepulster Molekularstrahl verwendet. Die Detektion der transportierten Moleküle erfolgte rotationsaufgelöst per laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie. Als prototypisches Molekül wurde Benzonitril (C6H5CN) gewählt, das ein für die AG-Fokussierung günstiges m/μ-Verhältnis besitzt und gut zu detektieren ist. In Abhängigkeit von der angelegten Schaltfrequenz wurde die Verteilung der fokussierten Moleküle als Funktion der Ankunftszeit und der transversalen Geschwindigkeit bestimmt. Die μ/Δμ- Auflösung hängt von der Form der Schaltsequenz ab. Der erreichte Wert von 20 ist ausreichend, um ausschließlich Benzonitrilmoleküle im absoluten Grundzustand und in Rotationszuständen mit demselben Dipolmoment zu transportieren. Entscheidend ist dabei die erreichte Genauigkeit der elektrischen Felder durch eine magnetische Halterung der Hochspannungselektroden. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit Trajektoriensimulationen überein. Am Beispiel der Fokussierung des Benzonitril-Argon van der Waals-Komplexes wurde demonstriert, wie Moleküle mit gleichem Dipolmoment, jedoch verschiedener Masse selektiert werden können. Der Komplex war ebenfalls im Molekularstrahl enthalten. Durch die Untersuchung der Transmissionscharakteristika konnte gezeigt werden, dass er dasselbe permanente Dipolmoment wie Benzonitril trägt. Durch die Wahl geeigneter Schaltfrequenzen konnte die Transmission der beiden Spezies auf Benzonitril beschränkt werden. Mittels der AG-Fokussierung kann der Anwendungsbereich der Stark-Abbremsung auf große Moleküle erweitert werden. Die Leistungsfähigkeit des sogenannten AG-Abbremsers hängt entscheidend von der Genauigkeit der erzeugten elektrischen Felder ab. Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Charakterisierung eines AG-Abbremsers gezeigt, der in unserer Arbeitsgruppe neu aufgebaut wurde. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Transmission selbst bei der erzielten präzisen Ausrichtung der Hochspannungselektroden zu gering ist, um das angestrebte Fangen großer Moleküle in einer Falle zu realisieren.

This thesis describes experiments using a second generation alternating- gradient (AG) focuser for large molecules. A beam of polar molecules is focused and transported through the switched electric fields of the quadrupole. The device is a quantum-state selector, since, at a given switching frequency, the transmission of the guide depends on the mass-to- dipole-moment (m/μ) ratio of the quantum state that the molecule is in. The working principle is closely related to that of the quadrupole mass spectrometer, which exploits the mass-to-charge ratio (m/q) of charged particles to restrict the transmis- sion to a narrow m/q-range. The m/μ-selector is characterized in detail using a pulsed beam of benzoni- trile (C6H5CN), a prototypical large molecule, in combination with rotational quantum state resolved detection. The arrival time distribution as well as the transverse velocity distribution of the molecules exiting the selector are measured as a function of the ac frequency. The μ/Δμ-resolution of the selector can be controlled by the applied ac waveforms and a value of up to 20 can be obtained with the present setup. This is sufficient to exclusively transmit benzonitrile molecules in quantum states with the same m/μ-value as the absolute ground state. The operation characteristics of the m/μ-selector are in quantitative agreement with the outcome of trajectory simulations. Crucial for the good performance of the AG focuser is the accuracy of the generated electric fields due, for instance, to the employed magnetic holding scheme, resulting in a high transmission. Not only is it possible to select quantum states of a given molecule by their dipole moment, but also molecules having the same dipole moment and different masses can be separated. This is demonstrated by AG focusing the benzonitrile-argon van der Waals complex, which is also present in the benzonitrile beam. The complex is formed between benzonitrile molecules and argon atoms from the seed gas and its electric dipole moment is found to be the same as for benzonitrile by comparing the transmission characteristics of the two species. Based on their different masses, the transmission of the two molecules can be restricted to benzonitrile by applying suitable ac waveforms. Using AG focusing, the Stark- deceleration technique can be extended to work not only for molecules in low- field-seeking quantum states, but, in principle, also for high-field-seeking molecules. In the last part of this work, the extended AG decelerator that has been set up in our group is characterized. The performance of the device, as for the selector, critically depends on the accuracy of the electric fields and, thereby, on the alignment of the high-voltage electrodes. At the presently achieved level of accuracy, the transmission is found to be very limited, prohibiting the efficient deceleration and envisioned trapping of large, high-field-seeking molecules.