Veränderungen der Bindungskräfte abbilden
Die meisten Menschen kennen das Prinzip der atomaren Elektronenorbitale und der Bindungen, die zwischen den Valenzelektronen von Atomen entstehen, was zu molekularen Orbitalen führt. Ein Wechsel des Molekülzustandes in kleine lineare Moleküle kann nun experimentell mithilfe fortgeschrittener Molekülorbitaltomografie beobachtet werden. Durch Anlegen eines starken Infrarot-Laserfelds können die zu untersuchenden Moleküle ausgerichtet werden. Ein zweites starkes IR-Laserfeld bewirkt dann, dass die ausgerichteten Moleküle extremes-UV-Licht in Form von ultrakurzen Attosekunden-Pulsen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) ausstrahlen. Merkmale dieser Attosekunden-Emission ermöglichen die Rekonstruktion der strahlenden Molekülorbitale. EU-finanzierte Wissenschaftler nutzten im Rahmen des Projekts ATTO-DYNAMICS erstmals zwei Detektionsverfahren gleichzeitig, um Veränderungen der Molekularorbitale zu untersuchen. Experimente zeigten die ultraschnelle Ladungswanderung, die in Lachgas nach Laseranregung vorkommt. Die Wissenschaftler entwickelten ein Modell, mit dem die zwei kohärent angeregten Elektronenzustände beschrieben werden konnten, die an der Emission beteiligt waren. Faszinierend waren auch die Ergebnisse der Untersuchung der Attosekundenemission durch Moleküle von Schwefelhexafluorid. Das Spektrum wies sich überlagernde Anteile mehrerer Valenzzustände nahe der Ionisationsschwellen auf. Die Forscher erklärten die relativen Anteile der sechs Valenzzustände. Analysen unterstützen die Annahme, dass die Überlagerung mehrerer Elektronenzustände ein allgemeines Merkmal der molekularen Emission ist, wenn sich mehrere Zustände mit sehr unterschiedlichen Orbitalstrukturen nahe der Ionisationsschwelle befinden. Abschließend wurden bei Untersuchungen kleiner Kohlenwasserstoffe die Grenzen herkömmlicher Attosekundenemissionsverfahren sichtbar. Die Analysen veranlassten die Wissenschaftler dazu, die Wellenlänge des Laserfelds auf den mittleren Infrarotbereich einzustellen. In Kombination mit dem im Projekt entwickelten neuartigen, zweigleisigen Erkennungsverfahren ermöglicht die Technologie eine bedeutende Erweiterung der Anwendbarkeit der Molekültomografie. ATTO-DYNAMICS hat die Grenzen der experimentellen Techniken zur Auflösung molekularer Veränderungen durch Attosekundenpulse, die sich aus der Wechselwirkung von Molekülen mit starken Lichtfelder ergeben erweitert. Die erweiterten experimentellen Werkzeuge ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Ultrakurzzeitdynamik, wie sie in chemischen Reaktionen vorkommt, zu studieren. Sie können ultraschnelle Ladungsmigration innerhalb eines Systems nun noch besser visualisieren und sich auch mit bedeutenden unbeantworteten, grundlegenden Fragen der Quantenmechanik befassen.
Schlüsselbegriffe
Attosekunden, molekulare Veränderungen, Ladungswanderung, Valenzelektronen, Molekülorbitale, Infrarot-
