Endlich! Wissenschaftler blicken ins Innere von Molekülen

Physiker in Europa konnten erstmals die Elektronenbewegung im Inneren eines Moleküls beobachten: ein Segen für die Welt der Forschung. Das Wissen darüber, wie sich Elektronen innerhalb von Molekülen bewegen, wird Beobachtungen vereinfachen und unser Verständnis von chemische R...

Physiker in Europa konnten erstmals die Elektronenbewegung im Inneren eines Moleküls beobachten: ein Segen für die Welt der Forschung. Das Wissen darüber, wie sich Elektronen innerhalb von Molekülen bewegen, wird Beobachtungen vereinfachen und unser Verständnis von chemische Reaktionen erweitern. Die in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie wurde durch drei EU-finanzierte Projekte unterstützt, die zusammen Finanzhilfen von der EU in Höhe von 14,4 Mio. EUR erhielten.

Die Projekte XTRA ("Ultrashort XUV (extreme ultra-violet) pulses for time-resolved and non-linear applications") und MAXLAS ("Emerging X-ray science and technology: combining laser and accelerator physics") erhielten 3 Mio. EUR bzw. 1,4 Mio. EUR aus dem Marie-Curie-Mobilitätsprogramm des Sechsten Rahmenprogramms (RP6). LASERLAB-EUROPE ("The integrated initiative of European laser research infrastructures II") wird unter der Haushaltslinie "Forschungsinfrastrukturen" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) mit 10 Mio. EUR finanziert.

Die von Professor Marc Vrakking, Direktor des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Deutschland, angeführten Physiker erreichten diesen technologischen Meilenstein mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen. Aufgrund der extremen Geschwindigkeit von Elektronen konnten diese Bewegungen bisher nicht beobachtet werden.

Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Licht kommt in einer Attosekunde weniger als ein Millionstel Millimeter weit. Dies entspricht im Wesentlichen der Entfernung von einem Ende eines kleinen Moleküls zum anderen. Mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen könnten die Wissenschaftler die Elektronenbewegung innerhalb von Molekülen "fotografieren".

Für die Zwecke dieser Studie betrachteten die Physiker das Wasserstoffmolekül (H2) - es ist mit zwei Protonen und zwei Elektronen das "einfachste Molekül". Mithilfe ihres Attosekunden-Lasers wollte die Forschergruppe herausfinden, wie die Ionisation in einem Wasserstoffmolekül abläuft. Bei der Ionisation wird ein Elektron aus dem Molekül entfernt, sodass sich der Energiestatus des verbleibenden Elektrons verändert.

"Wir konnten in unserem Experiment erstmals zeigen, dass wir mit einem Attosekunden-Laser tatsächlich in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen im Molekül zu beobachten", erklärte Professor Vrakking. "Zunächst haben wir ein Wasserstoffmolekül mit einem Attosekunden-Laserpuls bestrahlt. Dadurch wird ein Elektron aus dem Molekül herausgelöst - das Molekül wird ionisiert - und dieses dann mit einem Infrarot-Laserstrahl in zwei Teile geteilt, wie mit einer winzigen Schere. Nun haben wir uns angesehen, wie sich die Ladung auf die zwei Fragmente verteilt - weil ein Elektron fehlt, ist nun ein Teil neutral und ein Teil positiv geladen. Damit wussten wir, wo sich das verbliebene Elektron befand, nämlich im neutralen Teil."

Seit rund 30 Jahren benutzen Wissenschaftler Femtosekunden-Laser, um Moleküle und Atome genauer zu betrachten. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde, also 1.000-mal länger als eine Attosekunde. Für die Beobachtung der Bewegungen von Molekülen und Atomen reicht ein Femtosekunden-Laser aus.

Inzwischen haben Wissenschaftler mit der Entwicklung von Attosekunden-Lasern diese Technologie weitergeführt, was diversen naturwissenschaftlichen Studien wie der hier vorliegenden zugute kommt.

Dr. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland kommentierte die Berechnungen und die Komplexität des Problems: "Es hat sich herausgestellt, dass auch doppelt angeregte Zustände, d.h. mit einer Anregung beider Elektronen des Wasserstoffmoleküls, eine wichtige Rolle spielen."

Professor Vrakking fügte hinzu: "Wir haben das Problem nicht gelöst, wie wir zunächst dachten, wir haben lediglich eine Tür geöffnet. Aber das macht das ganze Projekt eigentlich noch viel wichtiger und interessanter."

Die Hauptbeiträge für diese Studie kamen von Wissenschaftlern aus Deutschland, Spanien, Frankreich, Italien, den Niederlanden, Schweden, dem Vereinigten Königreich und Kolumbien.

Länder

Kolumbien, Deutschland, Spanien, Frankreich, Italien, Niederlande, Schweden, Vereinigtes Königreich