Prof. Dr. J. Peter Toennies

Forschungsschwerpunkte: Molekül- und Festkörperphysik
Jan Peter Toennies ist ein deutsch-US-amerikanischer Physiker und Chemiker. Er befasst sich mit Molekül- und Festkörperphysik und insbesondere mit Molekularstrahl-Streuexperimenten, mit der Streuung an Festkörperoberflächen, sowie mit der Untersuchung von Nanotröpfchen aus superfluidem Helium.
Toennies Molekularstrahl-Streuexperimente dienen der Untersuchung chemischer Elementarprozesse sowie der atomaren Dynamik an Oberflächen. Zusätzlich untersuchte Toennies die Spektroskopie von Molekülen und die mikroskopischen Superfluidität von Helium und Wasserstoff in kleinen Heliumtröpfchen bei Temperaturen unter 0,5 Kelvin. Ebenso befasste er sich mit sehr kleinen Quantenmolekülen aus Helium und Wasserstoff mittels Diffraktionsexperimenten.
In seinen frühen Experimenten in Bonn (1957 bis 1968) leistete er Pionierarbeit bei Untersuchungen mit gekreuzten Molekularstrahlen von quantenzustandsselektierten inelastischen Molekülkollisionen. Für die (Rotations-)Zustandsselektion verwendete er elektrostatische Quadrupolfelder, die im Labor von Wolfgang Paul für die hochauflösende Hochfrequenz-Molekülspektroskopie entwickelt wurden. Damit konnte er 1961 die Abhängigkeit der Streuquerschnitte von Molekülen in bestimmten Rotationszuständen von der Orientierung der Moleküle in Bezug auf die Relativgeschwindigkeit der Kollisionspartner untersuchen. 1962 gelang es ihm, mit zwei Quadrupol-Zustandsselektoren in einer Rabi-Anordnung die inelastische nach den Rotationsquantenzuständen aufgelöste Streuung eines Moleküls (TlF) durch einen gekreuzten Zielstrahl zu messen. der auf den Bereich zwischen den Quadrupolen gerichtet war und die Rolle des Rabi-C-Feldes spielte. In den folgenden Jahren hat seine Gruppe viele grundlegende Streuversuche unternommen, um die schwachen van der Waals-Kräfte zwischen Atomen und Molekülen untereinander besser zu verstehen. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde ein neues Potential-Modell, das häufig zitierte Tang-Toennies Modell, entwickelt.
1974 entdeckte die Göttinger Gruppe um Toennies eine neue Betriebsart für die Freistrahl-Expansion von Heliumgas, die zu einem nahezu monoenergetischen Heliumatomstrahl mit einer translatorischen Energiespanne in der Größenordnung von einem mK führte. Ein solcher Strahl konnte als idealer Träger für hochauflösende laserinduzierte Fluoreszenzstudien von darin geimpften Molekülen oder als Umgebung für kinetische Studien der homogenen Keimbildung dienen. 1980 hat die Toennies-Gruppe mit der Streuung dieser Heliumatomstrahlen die Oberflächen-Phonon-Dispersions-Kurven von Festkörpern erstmals vollständig messen können. Damit eröffnete die Gruppe ein neues umfangreiches internationales Forschungsfeld
Im Jahr 1992 entdeckte Toennies‘ Arbeitsgruppe gut aufgelöste Molekül-Rotations-Spektren von einzelnen Molekülen, die in kleinen Nanotröpfchen aus Helium eingelagert wurden. Später in 1996 konnte aus den Spektren des Moleküls Glyoxal erste Evidenz für die mikroskopische Superfluidität von Helium gewonnen werden. Auch konnte die Superfluidität von kleinen Parawasserstoff-Clustern in gemischten 3He/4He-Tröpfchen bei 0,15 K erstmals nachgewiesen werden, die in den wärmeren reinen 4He-Tröpfchen nicht vorkommen. Diese Ergebnisse liefern den ersten Beweis für die komplizierte Superfluidität von Para-Wasserstoff. Die vielfältigen Forschungsmöglichkeiten die durch die Spektroskopie in Helium-Nanotröpfchen erschlossen wurden.
1994 konnte der erste Nachweis, für die Existenz des Heliumdimers durch den erstmaligen Einsatz der Materie-Wellen Beugung erbracht werden. Mit dieser neuen Methode konnte gezeigt werden, dass das Dimer mit 52 Angstrom das größte zweiatomige Molekül ist.
Mehr als ein halbes Jahrhundert lang haben Jan Peter Toennies und seine Gruppe elegante, anspruchsvolle und bahnbrechende Molekularstrahlexperimente durchgeführt. Seine Experimente haben zu neuen Erkenntnissen über das mikroskopische quantendynamische Verhalten der Teilchen in der Molekül-, Cluster- und Festkörperphysik geführt.