Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserwelle steuert Elektronenbewegung in Molekülen

18.04.2006


Erstmals ist es einem niederländisch-deutschen Forscherteam gelungen, chemische Reaktionen über die Steuerung der Elektronenbewegung in den beteiligten Atomen zu beeinflussen


Dissoziation eines Deuterium-Moleküls. Unter dem Einfluss eines Femtosekundenpulses (rote Kurve) beginnt die Elektronenwolke (blau) zwischen den Atomkernen (grau) hin und her zu schwingen (lilafarbene Kurve). Nach einer festgelegten Zeit zerfällt das Molekül in ein Deuterium-Ion und ein neutrales Deuterium-Atom. Bild: AMOLF/Max-Planck-Institut für Quantenoptik



Ultrakurze Laserpulse im Femtosekunden-Bereich haben sich als effektive Werkzeuge bewährt, um photochemische Reaktionen kontrolliert zu steuern: Unter dem Einfluss des Lichtpulses ändern die Elektronen ihre Quantenzustände, was zum Aufbrechen einer chemischen Bindung oder auch zu ihrer Neubildung führen kann. Wissenschaftler des FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF), Amsterdam, des Max-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching sowie der Universitäten Bielefeld und Hamburg sind nun einen entscheidenden Schritt weiter gekommen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift Science (14. April 2006) berichten, konnten sie mit "maßgeschneiderten" Wellenformen direkt die Bewegung der in die chemischen Bindungen involvierten Elektronen und damit auch das Reaktionsergebnis kontrollieren. Der hier für Dissoziation von Deuterium-Molekülen erzielte Erfolg ebnet vielleicht den Weg, auch Elektronen-Transferprozesse in großen Biomolekülen wie etwa DNA-Basenpaaren zu steuern.

... mehr zu:
»Atom »Elektron »Molekül


Erst seit kurzem verfügen Forscher über Femtosekunden-Pulse (1 Femtosekunde ist ein Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde) mit präzise kontrollierten Wellenformen. 2002 gelang es Prof. Ferenc Krausz (damals Technische Universität Wien, heute Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik) in Zusammenarbeit mit Prof. Theodor Hänsch (ebenfalls Direktor am MPQ), mit Hilfe der Nobelpreis-gekrönten Frequenzkammtechnik, so genannte "phasenstabilisierte" Laser zu entwickeln. Diese Laser zeichnen sich dadurch aus, dass von Puls zu Puls nicht nur Intensität und Frequenz, sondern auch die Lage der Maxima und Minima der Lichtschwingungen identisch ist.

Die hochintensiven, perfekt kontrollierten Felder solcher Femtosekundenpulse üben auf die Elektronen in einem Atom vergleichbare Kräfte aus wie der positiv geladene Atomkern. Wie Wissenschaftler um Prof. Krausz in verschiedenen Experimenten gezeigt haben, lässt sich mit solchen Pulsen die Bewegung der um die Atome kreisenden Elektronen direkt steuern, was sowohl die kontrollierte Entfernung von Elektronen aus Atomen oder Molekülen als auch die Erzeugung von Attosekunden-Pulsen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde) ermöglicht. Daher stellt sich die Frage, ob man auch die Elektronen, die in Molekülen die chemische Bindung vermitteln, durch solche Pulse kontrollieren kann, und ob sich dadurch die Dynamik von chemischen Reaktionen beeinflussen lässt.

Ein Team um Dr. Matthias Kling hat nun am Max-Planck-Institut für Quantenoptik den Einfluss von linear polarisierten, fünf Femtosekunden langen Laserpulsen auf die Dissoziation, d.h. das Auseinanderbrechen von positiv geladenen Deuterium-Ionen (D2+ = schwerer Wasserstoff) untersucht. Die aus kommerziell erhältlichem D2 durch Laser-Ionisation erzeugten D2+-Ionen sind denkbar einfach aufgebaut: Sie enthalten zwei positiv geladene Kerne, die jeweils aus einem Proton und einem Neutron bestehen, und ein Elektron. Mit einem "Sensitive Imaging"-Detektor, einer Art Kamera, die eine Gruppe um Prof. Marc Vrakking am AMOLF entwickelt hatte, bestimmten die Wissenschaftler die Richtung, unter der die Molekülfragmente - ein Deuterium-Atom sowie ein positiv geladenes Deuterium-Ion - nach der Dissoziation ausgesendet wurden.

Solange sie Laserpulse ohne Phasenstabilisation verwendeten, war die Emissionsrichtung symmetrisch in Bezug auf die Polarisationsachse. Die Anwendung von Lichtpulsen, bei denen die Phase des elektrischen Lichtfeldes genau festgelegt war, führte hingegen dazu, dass die Bruchstücke - je nach Lage der gewählten Phase - bevorzugt in eine bestimmte Richtung flogen. Tatsächlich konnte die Emissionsrichtung über die Wahl der Phase gezielt gesteuert werden. Wurde die Phase so justiert, dass die Ionen nach rechts flogen (oberer Teil der Abbildung), so bewirkte eine Phasenverschiebung um 180 Grad eine Umkehrung der Emissionsrichtung, d.h. die Ionen flogen nach links (unterer Teil der Abbildung).

Quantenmechanische Rechnungen zeigten dann, dass sich dieses Phänomen folgendermaßen erklären lässt: Anfänglich ist das Elektron "delokalisiert", d.h. seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit - symbolisiert durch die blauen Wolken in der Abbildung - erstreckt sich über beide Atomkerne, wodurch die chemische Bindung zustande kommt. Durch die Wechselwirkung mit dem Laserfeld besetzt das Elektron gleichzeitig zwei Energiezustände des D2+-Ions, im Fachjargon heißt dieser Vorgang "kohärente Überlagerung". Dies hat zur Folge, dass sich die Elektronenwolke, abhängig von der Phase des Feldes, auf der rechten oder der linken Seite der chemischen Bindung befindet.

Die Oszillation des Lichtfeldes zwingt das Elektron, zwischen beiden Seiten hin und her zu schwingen. Dadurch wird die chemische Bindung zwischen den positiv geladenen Kernen allmählich schwächer, ihr Abstand vergrößert sich, und das Molekül wird schließlich instabil. Wenn das Molekül in zwei Fragmente aufbricht, bleibt das Elektron an einem der beiden Ionen hängen, das dann zu einem neutralen D-Atom wird, während das andere Bruchstück als positiv geladenes Ion im Experiment nachgewiesen wird. Da die Dauer des Dissoziationsprozesses fest steht, lässt sich also durch Wahl der Phase des Lichtfeldes gezielt steuern, mit welchem Nukleon sich das Elektron zum Zeitpunkt des Zerfalls zusammen tut.

Elektronentransferprozesse spielen in der Chemie und Biologie eine außerordentlich wichtige Rolle. Schneller Elektronentransfer kann sowohl zur Schädigung als auch zur Reparatur von DNA-Basen-Paaren führen. Die hier für die Dissoziation von D2-Molekülen erhaltenen Resultate könnten einen Weg aufzeigen, wie sich solche Vorgänge auch in großen Biomolekülen durch elektrische Lichtfelder steuern lassen. Die Möglichkeit, den Ladungstransport gezielt durch einzelne Moleküle zu lenken, könnte auch zu einer weiteren Miniaturisierung von Bauelementen der molekularen Elektronik führen.
[OM]

Originalveröffentlichung:

M.F. Kling, Ch. Siedschlag, A.-J. Verhoef, J.I. Khan, M. Schultze, Th. Uphues, Y. Ni, M. Uiberacker, M. Drescher, F. Krausz, M.J.J. Vrakking
Control of Electron Localization in Molecular Dissociation

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Atom Elektron Molekül

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie