Ultraschnelle Dynamik in großen Molekülen
Atomkerne sind nicht ausreichend schnell, um sich in einem Zeitraum von Attosekunden (Trillionstelsekunden) nennenswert zu bewegen. Sie sind "eingefroren" und werden als "rein" elektronisch angesehen. Mithilfe von Attosekunden-Lasertechnologie kann die kohärente Oszillation gebundener elektronischer Wellenpakete sowie die Übertragung oder Migration von Ladungsträgern (Elektronen und Defektelektronen) verfolgt werden. Die Forscher des EU-finanzierten Projekts ATTOTREND (Femto- and attosecond imaging of molecular multiple ionization: Time-resolved electron and nuclear dynamics using free electron lasers and ultra-short pulses) konzentrierten sich auf Anregungsvorgänge, durch die einfache Moleküle wie Wasserstoff und Sauerstoff aufgebrochen werden können. Die Forscher untersuchten die Anwendung zwei identischer extremer ultravioletter Laserimpulse, um ein genaueres Bild der intrinsischen Elektronendynamik mit einer zeitlichen Auflösung im Attosekundenbereich zu erlangen. Die Visualisierung direkter und Multi-Photonen-Ionisationsvorgänge wurde durch Variation der Zeitverzögerung zwischen zwei Impulsen möglich. Zudem war es durch den Einsatz ultravioletter Attosekunden-Lichtimpulse mit einstellbarem Frequenzbereich möglich, den angeregten elektronischen Zustand neutraler Moleküle zu ändern. So konnte die Anregung mit bestimmten Methoden kohärent gesteuert werden. Selbst bei einfachen Molekülen von Wasserstoff und Sauerstoff konnte eine bemerkenswerte Vielfalt und Komplexität der ultraschnellen Dynamik beobachtet werden. Dies eröffnet auch faszinierende Möglichkeiten, eine Brücke zwischen Attosekundenphysik und Attosekundenchemie zu schlagen. Der nächste Schritt bestand darin, die entwickelte Methodik zu erweitern, um die Photoionisation größerer multi-elektronischer Moleküle, darunter Methan und Kohlenstofftetrafluorid, zu erforschen. Die Dichtefunktionaltheorie wurde angewendet, um alle verschiedenen Effekte zu beschreiben, die in einem konsolidierten theoretischen Rahmen beobachtet wurden. Die meiste Zeit wurden im ATTOTREND-Projekt relativ einfache Moleküle untersucht, die Forscher befassten sich jedoch auch mit komplexeren Molekülen. Sie bestrahlten die Aminosäure Phenylanin mit Attosekunden-Lichtimpulsen und verfolgten Änderungen der elektronischen Struktur. Die gesammelten Daten ermöglichten die erste experimentelle Demonstration einer initiierten Ladungsträgermigration in einem komplexen Molekül, bei der die Elektronendynamik einer schwingungsbedingten Bewegung der Atomkerne vorausgeht. Attosekunden-Lasertechnologie schafft für die biologisch relevante Molekülforschung völlig neue Möglichkeiten. Durch das ATTOTREND-Projekt wird die Entwicklung neuer Technologien denkbar, die auf der Steuerung von Elektronenströmen im molekularen Maßstab basieren.
Schlüsselbegriffe
Ultraschnelle Dynamik, große Moleküle, Attosekunde, Lasertechnologie, ATTOTREND, Elektron, nuklear
